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Façonner l’imaginaire. De la création 3D aux mondes virtuels animés

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Marie-Paule Cani

Façonner l’imaginaire : de la création numérique 3D aux mondes virtuels animés

Marie-Paule Cani

Nota del editor

La chaire annuelle d’Informatique et sciences numériques du Collège de France reçoit le soutien de l’Institut national de recherche en informatique et en automatique (Inria).

Je dédie cette leçon à tous les rêveurs que nous sommes, à tous ceux qui sont tentés de réinventer le monde…

Texto completo

1Monsieur l’Administrateur,
Mes chers collègues,
Chers amis,

2Le numérique est un espace qui nous est purement réservé : l’être humain y règne en maître, créant les contenus ou orchestrant leur génération à partir de données ou d’algorithmes. Mais il est parfois frustrant de ne créer que de l’immatériel – que l’on peut difficilement voir et encore moins toucher... C’est sans doute pour cela que la création numérique 3D fait tant rêver. Elle permet d’ébaucher des formes en quelques gestes, puis de les observer sous tous les angles et de les manipuler virtuellement. Elle ouvre la voie vers la fabrication automatique de prototypes physiques à partir de ces formes – par exemple, via l’impression 3D –, nous offrant ainsi la faculté unique de matérialiser l’immatériel. Enfin, elle permet de donner vie à d’autres mondes – des mondes virtuels peuplés et animés –, puis de les explorer en s’y immergeant par tous nos sens grâce à la réalité virtuelle.

3Tout en étant capables, dans une certaine mesure, de reconstruire ou d’imiter le monde réel, les contenus 3D constituent aussi un moyen privilégié pour exprimer notre imaginaire. Au-delà d’une dimension ludique et artistique qui s’exprime largement dans les jeux vidéo, le cinéma et l’art numérique, la création graphique 3D offre ainsi un outil formidable aux chercheurs et aux ingénieurs de tous domaines. Elle permet à l’ingénieur de créer virtuellement son objet d’étude, puis de le tester pour l’améliorer avant même qu’il ne soit fabriqué dans le monde physique. Le scientifique – du biologiste à l’archéologue – pourra pour sa part exprimer ses hypothèses sous forme visuelle, puis explorer les contenus ainsi créés pour affiner sa compréhension de son objet d’étude.

Figure 1

Figure 1

Créations numériques.

© Grenoble-INP, Inria et Université Lyon I / Lucian Stanculsecu, 2013 ; Jean-Claude Léon, 2014 et Arnaud Émilien, 2012.

  • 1 Colin Ware, Visual Thinking for Design, Morgan Kaufmann Series in Interactive Technologies, 2008.

4S’ils permettent de « voir » des formes et des mouvements imaginés, ces supports de création sont bien plus qu’un simple moyen de communication : l’interaction avec un support visuel permet en effet au créateur de raffiner progressivement sa vision, bien mieux que ne le ferait une simple image mentale. Léonard de Vinci en avait eu l’intuition. Des recherches récentes en psychologie cognitive ont démontré que l’interaction visuelle avec une ébauche peut servir à éveiller des parties de la mémoire ignorées par une description analytique, d’imaginer et d’explorer mentalement un espace de solutions possibles, permettant ainsi de compléter progressivement une création : « Nous devons considérer les créations graphiques comme des outils cognitifs qui améliorent et étendent notre intelligence1. »

5À quand remonte ce goût pour la création 3D ? De tout temps, l’être humain a cherché à maîtriser la création de formes et même de mouvements, qu’ils soient inspirés par le réel ou simplement imaginés. Contrairement au son, que nous pouvons produire directement sans l’aide d’instruments, l’être humain ne dispose pas de moyens physiques pour exprimer et communiquer des formes tridimensionnelles : il a besoin d’un support et d’outils pour les représenter. Ce support a pu être le sable, le rocher, l’argile… et les premiers outils ont probablement été les doigts ou un silex. Se sont alors développés le dessin et la peinture, qui certes ne peuvent représenter que des projections planes des formes, mais qui s’avèrent parfois précieux pour évoquer l’incertitude ou pour exprimer une action (pensons à la bande dessinée) ; et la sculpture, qui permet de représenter précisément des formes statiques en 3D, mais ne sait évoquer le mouvement que dans des situations de déséquilibre.

6Aujourd’hui, de plus en plus d’êtres humains disposent du média numérique et le manipulent plus quotidiennement qu’une boule de pâte à modeler, ou même, pour certains, qu’un papier et un crayon. L’outil numérique pourrait-il devenir, à terme, le média ultime, offrant à chacun cette capacité que nous recherchons depuis toujours, à savoir celle d’ébaucher en temps réel, puis de raffiner progressivement les formes et les mouvements que nous imaginons, grâce à cette interaction visuelle si propice à la création ?

7De manière immédiate, des qualités du support numérique le rendant supérieur à tout support physique viennent à l’esprit : il peut permettre de dessiner aussi bien dans le plan qu’en volume (en « 3D ») ; d’ébaucher non seulement des formes statiques, mais aussi des formes en mouvement ; de stocker et de visualiser ces créations à différents niveaux de détail ; de revenir en arrière au besoin, de copier, de dupliquer et de coller des détails. Plus encore, le numérique pourra apporter de l’aide à ceux qui n’arrivent pas à exprimer leurs imaginaire dans le monde réel, et qui pensent qu’ils « ne savent pas dessiner ».

8Comment mettre la création 3D à la portée de tous et donner à tout un chacun la chance de « façonner l’imaginaire », au fur et à mesure qu’il lui vient en tête, et plus facilement qu’avec un papier et un crayon ? Une série de recherches récentes ont ouvert la voie. Cette leçon inaugurale va tenter d’en rendre compte.

9Nous présenterons tout d’abord les outils offerts par la création numérique 3D pour motiver l’émergence d’une nouvelle voie, que nous appellerons ici la modélisation expressive. Nous caractériserons les exigences qu’elle impose aux outils et aux modèles sous-jacents. En nous appuyant sur des exemples, nous observerons trois points essentiels :

  • l’utilisation de métaphores d’interaction inspirées du monde réel (dessin, sculpture) ;

  • l’incorporation de connaissances dans les modèles ;

  • le développement de méthodologies de passage à l’échelle, permettant d’orchestrer en quelques gestes la création d’un monde virtuel.

10Nous évoquerons en conclusion les défis majeurs posés par cette modélisation expressive.

La création numérique 3D

11Les travaux que nous allons présenter ici correspondent au champ disciplinaire de l’informatique graphique, dont la communauté scientifique s’est structurée en France dès la fin des années 1980. À l’opposé des technologies qui prennent des images en entrée, comme le traitement d’images, la vision par ordinateur ou l’imagerie médicale, l’informatique graphique s’intéresse aux méthodes destinées à produire des images en sortie. Ces images artificielles sont appelées images de synthèse.

12Si elles sont visuelles et parlent à tous, les images de synthèse cachent des modèles mathématiques et des algorithmes de simulation de phénomènes physiques dont l’efficacité est essentielle. Les chercheurs en informatique graphique développent en premier lieu des représentations mathématiques dédiées aux formes 3D – maillages, surfaces paramétriques rationnelles, surfaces de subdivision, surfaces algébriques implicites –, ainsi que les algorithmes et les outils de déformation permettant de façonner ces formes : il s’agit de la modélisation géométrique. En second lieu, ils proposent des méthodes pour décrire ou générer les mouvements et les déformations des objets au cours du temps : il s’agit de l’animation. Enfin, ils explorent les chaînes de traitement – fondées sur l’optique pour simuler les trajets de la lumière et sur la science des matériaux – qui servent à passer de données numériques 3D, variant au cours du temps, vers un support (une image, constituée d’une grille de pixels) nous permettant de voir ces contenus, comme si nous les avions pris en photo ou filmés : il s’agit du rendu.

  • 2 C’est dans ce sens de « réalisme visuel » que j’emploierai le terme réalisme au cours de cette leço (...)

13Au cours des dix dernières années, l’accroissement des capacités mémoire et de la puissance de calcul des ordinateurs, ainsi que l’amélioration des algorithmes de simulation de l’éclairage utilisés pour le rendu, ont permis de stocker, de traiter et d’afficher des données 3D massives (plusieurs millions de polygones), produisant des images de synthèse difficiles à différencier du réel : on parle de « réalisme visuel2 ». En parallèle, les utilisateurs attendent des mondes virtuels un contenu toujours plus impressionnant, riche et détaillé. Mais comment créer de tels contenus ?

14Deux approches ont été particulièrement développées jusqu’ici pour accélérer la création 3D : la capture de données réelles et la génération automatique de contenus.

La capture de données

15Les dispositifs permettant de numériser les formes ou les mouvements réels, ainsi que les algorithmes de traitement des données massives produites en sortie, ont connu des progrès impressionnants ces dernières années. Cependant, cette approche pose deux questions. La première est celle du passage à l’échelle – il nous serait impossible d’aller capturer chaque brin d’herbe. La seconde concerne la nature des contenus capturés : comme nous l’avons déjà souligné, dans bien des cas, le réel ne nous suffit pas ; nous voudrions pouvoir numériser l’imaginaire, prototyper des formes qui n’existent pas encore dans le monde physique, ou bien créer un monde virtuel différent de celui qui nous entoure. Même si des données capturées peuvent être, en théorie, modifiées à ces fins, cela demande un effort de traitement, d’analyse et de conversion dans des représentations appropriées, et pose de nombreux problèmes de recherche.

La génération automatique de contenus

16Une alternative à la capture du réel est d’engendrer les contenus 3D automatiquement à partir de règles et d’algorithmes. Il s’agit de la génération procédurale. Cette approche peut être appliquée à la création de structures géométriques complexes, comme des arbres virtuels dont la croissance est simulée à partir de lois exprimées sous forme de grammaires (similaires à celles qui régissent les langages informatiques), des terrains engendrés par des règles de subdivision fractales complétées par des tirages aléatoires, ou des villes dont la structure est raffinée progressivement grâce à l’utilisation de grammaires de formes. La génération procédurale peut également être appliquée à la création de mouvements : les techniques de simulation par « modèle physique » en font partie, ainsi que les méthodes de simulation comportementale utilisées pour animer des personnages autonomes dans les mondes virtuels. Toutes ces méthodes sont conceptuellement très intéressantes car elles permettent de visualiser le résultat émergeant des lois simples énoncées. Mais s’en servir pour générer les formes et les mouvements imaginés par l’utilisateur est un morceau de bravoure : même lorsque ces contenus sont parfaitement capturés par le modèle, il faudra un nombre décourageant d’essais et d’erreurs pour trouver les valeurs exactes des paramètres requis pour les obtenir. Ceci est rendu plus difficile encore par l’effet papillon du numérique : un petit changement dans les paramètres des lois peut induire un changement arbitrairement grand du résultat après un grand nombre d’itérations.

  • 3 Par exemple, le film La Reine des neiges sorti des studios Disney en novembre 2013 a employé près d (...)
  • 4 Rob Cook, allocution prononcée lors de la conférence Siggraph Asia, décembre 2008.

17Ces deux méthodes étant rarement utilisables en pratique, la création de nouvelles formes 3D et le contrôle des mouvements numériques passent principalement par la modélisation interactive via des logiciels dédiés à la modélisation 3D ou à la conception assistée par ordinateur. Leur utilisation exige une formation spécialisée de plusieurs années telle que celles dispensées dans les écoles d’infographie. Il s’agit d’apprendre à maîtriser une chaîne de traitement complexe qui, si elle fournit les représentations mathématiques et les outils de traitement les plus poussés, demande des connaissances spécifiques pour utiliser les degrés de liberté des modèles et prévoir l’effet des différents paramètres. Même pour un spécialiste, la création numérique interactive reste bien plus lente que le design dans le monde réel. De plus, elle ne permet pas d’ébaucher puis de préciser progressivement son idée : des supports physiques (papier, argile) sont toujours utilisés aux stades les plus créatifs d’une production numérique. Une fois que chaque forme et chaque mouvement ont été conçus, les recréer et les améliorer sous forme numérique (pensons à une prairie agitée par le vent, à un décor urbain ou au pelage ébouriffé d’un animal) demandera plusieurs mois d’un travail minutieux et souvent fastidieux. De ce fait, la création d’un long métrage d’animation 3D peut occuper plusieurs centaines de personnes pendant quelques années3. C’est ainsi que Rob Cook, le directeur scientifique de Pixar, a récemment décrit le nouveau grand défi en informatique graphique : « Créer des outils qui soient aussi transparents pour les artistes que les effets spéciaux le sont pour le grand public4. »

Vers une modélisation expressive

18Nous souhaitons présenter ici une troisième voie pour accélérer la création de contenus 3D : la modélisation expressive. Nous évoquerons sous ce terme les avancées récentes en informatique graphique vers une création fluide de contenus 3D, mariant simplicité et rapidité d’utilisation avec la qualité visuelle et le contrôle des résultats. L’objectif est que l’utilisateur puisse littéralement « façonner » les formes et les mouvements qu’il imagine tout en s’appuyant sur l’outil numérique pour compléter automatiquement les détails et/ou pour maintenir les contraintes qu’il souhaite en matière de réalisme. Caractérisons les contraintes nécessaires pour atteindre ce but.

19Comme dans le monde réel, le créateur doit pouvoir se concentrer sur sa création (et non sur la maîtrise technique de son outil). Il s’agit pour cela de rendre les outils de création numérique « transparents » pour leur utilisateur. Faisons une analogie avec le cinéma : un spectateur ne se demande plus ce qui est réel ou virtuel lorsqu’il est plongé dans un film comme Avatar : il est emporté par l’histoire… De même, les créateurs de contenus 3D devraient pouvoir créer sans avoir à se soucier de l’outil, comme s’il s’agissait d’un simple prolongement de leurs doigts. Ceci suppose deux principes :

  • Permettre la création par le geste. Ces gestes pourront être des gestes de dessin pour ébaucher une nouvelle forme, des gestes de sculpture ou de modelage pour l’améliorer ou lui ajouter des détails, ou encore des gestes de mime pour indiquer un mouvement. À ces métaphores d’interaction, on pourra ajouter les actions simples qui ont déjà révolutionné les environnements numériques comme celle de « copier-coller » pour reproduire et transférer certains éléments.

  • Revisiter les modèles graphiques pour qu’ils réagissent de la manière attendue par un utilisateur humain, sous ces gestes d’interaction. Nous parlerons, pour évoquer cette nouvelle génération de modèles, de « modèles graphiques centrés sur l’utilisateur », par analogie avec les « interfaces centrées sur l’utilisateur » développées dans le domaine de l’interaction humain-machine. Ces modèles doivent impérativement intégrer des connaissances pour répondre à la sémantique qu’un utilisateur humain associe presque involontairement à ses actions.

20Prenons un exemple : la création d’une salle de conférence virtuelle semblable à celle du Collège de France, avec ses rangées de sièges, dont beaucoup sont occupés. Supposons que le créateur de cette salle numérique veuille étirer son modèle, pour rendre la salle, disons, à moitié plus large : si des représentations graphiques classiques sont utilisées, chaque siège va alors s’élargir, ainsi que les personnes qui y sont assises, les rendant totalement irréalistes. Est-ce qu’un utilisateur ne s’attendrait pas plutôt à ce que le sol s’étire, à ce que les sièges soient dupliqués et que de nouvelles personnes y soient placées ? Comme le montre cet exemple, l’incorporation de connaissances a priori (comme le fait que certains éléments répétitifs doivent être dupliqués et non étirés) est indispensable à la conception de modèles graphiques centrés sur l’utilisateur.

21Parmi les défis posés par cette approche, trois questions cruciales se posent :

  1. Quels sont les gestes les plus appropriés à la création ?

  2. Quelles connaissances incorporer à un modèle et comment ?

  3. Comment adapter ces méthodes à des mondes virtuels complexes, constitués de hiérarchies d’éléments ?

22Nous allons aborder ces trois questions et tenter d’y apporter quelques réponses en nous appuyant sur des exemples.

Quels gestes pour la création 3D ?

Sculpter une argile virtuelle

  • 5 Daniel F. Keefe, Daniel A. Feliz, Tomer Moscovich, David H. Laidlaw et Joseph J. LaViola, Cave Pain (...)

23La création de formes 3D à la souris, au moyen d’interfaces standard multifenêtres (vues de face, de profil, de dessus et en perspective), aux menus et aux boutons multiples, était déjà jugée obsolète il y a une quinzaine d’années. Avec l’avènement, au début des années 2000, de la réalité virtuelle, qui permet de s’immerger dans un monde 3D, les chercheurs en informatique graphique ont pensé que l’expérience ultime, pour la création de formes tridimensionnelles, serait de rendre possible l’interaction par gestes directement en 3D, comme si l’on peignait en déposant de la matière librement dans l’espace autour de soi. Les premières salles de réalité virtuelle, les « caves », ont favorisé ce type d’expérience5. Le modèle graphique correspondant était simple : il s’agissait d’une grille volumique contenant des densités de diverses matières colorées pouvant être déposées ou gommées en temps réel. Il s’est cependant avéré que ces gestes, effectués sans aucun support, sont extrêmement fatigants pour l’utilisateur et rendent impossibles les tâches de précision.

24Plusieurs équipes ont cherché à mettre au point des métaphores de sculpture virtuelle plus convaincantes. Cinq ans plus tard, nous avons mis au point avec mon équipe un modèle combinant surfaces implicites et inspiration physique pour permettre d’ajouter de la matière en s’appuyant, grâce à un dispositif à retour d’effort, sur la partie existante d’une forme, et de la modeler en y appliquant des déformations locales ou globales, comme si on modelait de l’argile. Faire ces calculs en temps réel était une prouesse lorsqu’on songe à la lenteur des simulations par éléments finis habituelles, qui deviennent mal conditionnées en présence de contraintes d’incompressibilité.

25Ce modèle s’est malheureusement révélé inutilisable pour la création de formes complexes... Nous avons alors pensé que modeler sans disposer de ses dix doigts et d’un retour tactile sur chacun d’eux était impossible. Ceci a orienté nos recherches et celles de nos collaborateurs vers la réalisation d’un dispositif à retour passif, le hand navigator, permettant de contrôler une main virtuelle sculptant l’argile aussi simplement que nous pouvons contrôler le déplacement d’un point avec une souris. Malgré leur grand intérêt d’un point de vue scientifique, conduisant à des extensions et à une industrialisation de ce dispositif, ces travaux n’ont pas abouti à une application concrète en création de formes.

26À l’opposé, une autre approche développée à la même période dans mon équipe a rendu possible une création fluide de formes 3D (fig. 2c), en permettant aux gestes de l’utilisateur d’entraîner librement la matière sans interdire les intersections avec l’outil, et en ne retenant comme contrainte que la loi de conservation du volume pour l’argile virtuelle, ce qui suffit à rendre ses déformations naturelles.

27Nous pouvons en tirer un premier enseignement : reproduire aussi fidèlement que possible un processus de création du monde réel ne facilite pas nécessairement la création numérique. Si elles s’inspirent du monde virtuel, nos métaphores d’interaction doivent rester des métaphores.

Figure 2

Figure 2

Dessiner ou sculpter pour créer une forme numérique 3D. De gauche à droite : (a) création 3D par le système de dessin MATISSE ; (b) sculpture d’une argile virtuelle grâce au hand navigator ; (c) sculpture à volume constant par déformation de l’espace.

© Grenoble-INP, Inria et Université d’Otago (Nouvelle-Zélande) / Adrien Bernhardt, 2008 ; Paul Kry, 2008 et Alexis Angelidis, 2004.

Dessiner en 2D pour créer en 3D

28Dans le monde réel, un moyen plus simple que la sculpture pour concevoir et communiquer des formes 3D est de les dessiner. La plupart des gens peuvent plus facilement et plus rapidement dessiner une plante imaginaire (fig. 2a), que la créer en pâte à modeler ; de même pour un chat ou une maison. De plus, un phénomène intéressant se produit : devant un croquis 2D, même simple, la forme 3D représentée nous saute généralement aux yeux, notre expérience humaine nous entraînant quotidiennement à l’interprétation 3D des projections du monde qui nous entoure.

  • 6 En anglais : sketch-based modeling.

29Ceci amène cette question passionnante : pourrait-on utiliser le même mécanisme pour la création graphique 3D, c’est-à-dire construire des formes tridimensionnelles à partir de simples dessins plans, rapidement ébauchés par l’utilisateur ? Il s’agit pour cela de caractériser les mécanismes nous permettant d’interpréter les formes dessinées, et de programmer un processus analogue, permettant de construire virtuellement la forme que l’on « voit ». Ce tournant pris par l’informatique graphique depuis une dizaine d’années s’appelle la modélisation par esquisses6. Ce mode de création n’exclut pas de recourir à une métaphore de type « sculpture » pour déformer les objets une fois qu’ils ont été créés, ce qui est bien sûr plus approprié que de les gommer et de repartir à zéro.

30Un dessin 2D unique représentant la projection des silhouettes d’un objet peut correspondre à une infinité de formes 3D puisque l’information de profondeur en est absente. L’idée de base en modélisation par esquisses est de construire une forme 3D plausible à partir de ce dessin, que l’utilisateur pourra par la suite déformer, modifier ou compléter à sa convenance. Pour que ce procédé paraisse naturel, il faut que la forme 3D créée soit la plus proche possible de celle qu’imaginerait un observateur humain. Étudions les processus mis en jeu lorsque nous regardons un dessin dans la vie réelle et interprétons les formes qu’il représente (fig. 3).

Figure 3

Figure 3

Interprétation de dessins 2D : (a) formes inconnues et (b) formes connues.

© Laurence Boissieux, 2011 et Estelle Charleroy, 2015.

  • Soit la forme nous est inconnue (fig. 3a) : dans ce cas, comme démontré par des études perceptuelles, nous imaginons typiquement la forme la plus simple qui correspond à ces contours… Or, il a été montré par d’autres études que la « plus simple » pour un observateur est également la plus symétrique : ainsi, sans information supplémentaire, nous imaginerons volontiers que les parties minces dans le plan de projection le sont aussi en profondeur, et que de même, les parties larges restent larges.

  • Soit nous reconnaissons un objet familier (fig. 3b) : alors, automatiquement, nous injectons nos connaissances pour nous forger immédiatement une image mentale de cette forme en 3D ; cette dernière correspond aux contours, mais peut même éventuellement comprendre des parties ou des détails non représentés sur le dessin, comme les mains de la femme ou les feuilles de l’arbre. Ce mécanisme, si nous parvenons à le modéliser, peut servir à créer une forme complexe à partir d’un seul dessin.

31Dans le premier cas, celui des formes inconnues, on souhaiterait donc inférer la forme 3D d’objets dont on ne voit que la silhouette. Comme déjà évoqué, il s’agit de construire la forme la plus simple possible, quitte à ce que l’utilisateur la modifie a posteriori. Pour créer cette forme simple, on peut imaginer un squelette virtuel dans le plan du dessin et une forme d’épaisseur constante autour de ce squelette. Ainsi, la forme reconstruite répondra au critère de symétrie. Cette forme pourra être complétée ensuite par l’ajout progressif des parties suivant d’autres points de vue. L’information de profondeur pourra alors être extraite automatiquement de la position en 3D du point de raccordement avec la partie déjà créée.

  • 7 Une surface implicite est une surface définie non par l’énumération de ses points, mais par une pro (...)

32Notons la rapidité de création permise par ce processus (une simple alternance de points de vue et de peinture de régions), et les besoins qu’il implique en matière de modèle graphique : le défi est de mettre en place une représentation des surfaces destinée à créer des volumes à partir de squelettes munis d’épaisseurs et capable de mélanger progressivement, de manière invisible, les formes obtenues. De telles représentations ont été développées. Il s’agit des surfaces implicites7 à squelettes, qui facilitent la modélisation par construction progressive du fait de leur faculté à mélanger les formes (fig. 4).

Figure 4

Figure 4

Création rapide d’une forme représentée par surface implicite à l’aide de dessins successifs, rendu réaliste, puis impression 3D.

© Grenoble-INP, Université Toulouse III et Inria / Adrien Bernhardt, 2008.

Modèles fondés sur les connaissances

33La nécessité d’intégrer des connaissances aux modèles, comme le fait de se déformer à volume constant pour l’argile virtuelle, ou celui de créer une forme lisse et symétrique pour le dessin progressif, a déjà été évoquée. De plus, il est de toute évidence impossible d’intégrer dans les modèles graphiques toutes nos connaissances – de la géométrie à la sémantique – sur les formes qu’ils sont censés représenter. Nous allons discuter le choix du niveau de connaissances à intégrer dans les modèles à partir d’un exemple, la conception de vêtements virtuels. Ces connaissances permettront non seulement de reconstruire la surface d’un vêtement à partir d’une entrée-utilisateur réduite, comme un dessin unique de sa silhouette, mais aussi de l’animer avec une efficacité inégalée, ou encore de le transférer à des personnages de morphologie différente.

L’exemple des vêtements

34Remarquons tout d’abord que cet exemple n’est pas un exemple « jouet » :

  • Les vêtements constituent un exemple intéressant d’un point de vue mathématique. Un vêtement bien ajusté ne doit pas être étiré lorsqu’il est porté ; il est alors un assemblage de surfaces que l’on pourrait développer dans un plan, correspondant chacune à une pièce de tissu, et relève donc des mathématiques des surfaces développables.

  • Dans le monde réel, la création de nouveaux vêtements est une tâche difficile réservée à des spécialistes qui savent dessiner les patrons 2D (c’est-à-dire les surfaces développées à assembler) permettant d’obtenir la forme souhaitée une fois le vêtement porté. Toute méthode numérique capable d’accélérer ce processus et de le rendre accessible à des non-spécialistes sera à terme adoptée par l’industrie textile.

  • Enfin, les vêtements sont également des éléments indispensables dans les mondes virtuels : il faut pouvoir non seulement en créer une variété, pour des personnages de morphologies parfois étonnantes, mais aussi les animer, c’est-à-dire simuler leurs mouvements et leurs déformations au cours du temps.

  • 8 L’isométrie est la conservation des longueurs. Ici, la distance le long de la surface entre toute p (...)

35Les méthodes de modélisation standard pour vêtir les personnages virtuels ressemblent au procédé de création de vêtements dans la vie réelle : il s’agit pour l’utilisateur du logiciel de dessiner les patrons de chaque pièce du vêtement. Ces patrons sont ensuite assemblés (l’utilisateur devant les placer de part et d’autre du personnage et spécifier les coutures), puis animés par modèle physique jusqu’à ce qu’ils trouvent une position d’équilibre sous l’action de la gravité, en contact avec le corps du personnage. En plus des compétences de tailleur nécessaires à la définition des patrons, l’utilisateur doit savoir gérer les paramètres de la simulation comme les constantes d’élasticité ou de frottement, mais aussi la finesse du maillage, qui aura un effet déterminant sur le résultat de la simulation. Une bonne combinaison de ces paramètres permettra d’imiter visuellement la soie, le jean ou le cuir. Cette chaîne de traitement – qui procède par essais et erreurs – représente des heures de travail pour un spécialiste. Notons que la définition des surfaces développables utilisée ici, l’isométrie8 aux patrons 2D qui ont servi à la création, conduit à des simulations très coûteuses, car de petits pas de temps sont nécessaires pour éviter l’étirement du tissu.

36Au moment de remplacer ce processus fastidieux par une méthode d’interaction intuitive, notons combien la création par dessin est plus appropriée ici que la sculpture 3D : seuls les artistes chevronnés sont capables de sculpter un drapé réaliste. Il est bien plus facile et rapide de dessiner les contours d’un vêtement, comme le font les dessinateurs de mode mais aussi les enfants. La création d’une surface adéquate, c’est-à-dire développable par morceaux, pourra alors être laissée à la charge de la machine. Et – complément très intéressant pour le gain de temps qu’il implique – les patrons nécessaires à la réalisation physique du vêtement ou à sa simulation isométrique pourront être calculés automatiquement en étalant dans un plan les éléments de surface 3D obtenus.

37Comment engendrer un vêtement à partir d’un croquis 2D le représentant ? Une série de travaux ont fait avancer la recherche dans ce sens depuis près de dix ans. Cet exemple sera pour nous l’occasion de montrer que l’intégration progressive de connaissances appropriées au sein des modèles permet au système d’aider l’utilisateur à obtenir un résultat de plus en plus réaliste, et ce, tout en restant fidèle à la spécification donnée en entrée.

38Partons, pour simplifier, d’un unique croquis représentant les contours d’un vêtement (c’est-à-dire des bords et des silhouettes) dessinés en annotant une vue du personnage à habiller, comme à gauche de la figure ci-dessous (fig. 5a). Une première méthode, naïve, consiste à ne retenir du vêtement que le fait qu’il entoure des parties cylindriques du corps du personnage, et ce à des distances similaires en largeur et en profondeur : dans une région où il est moulant vu de face, le vêtement le sera aussi vu de côté, de même pour les parties amples. Partant uniquement de cette règle, un simple contour dessiné sur une vue d’un personnage 3D permettra de propager l’information de distance sur toute l’image par interpolation 2D, puis d’inférer la surface 3D du vêtement en la sculptant, en quelque sorte, dans un champ de distance au corps du personnage.

Figure 5

Figure 5

(a) Croquis représentant les silhouettes et les bords apparents d’un vêtement ; (b) ébauche 3D ; (c) approximation développable ; (d) simulation des plis et (e) réalisation réelle à partir des patrons calculés.

© Grenoble-INP, Université de Colombie britannique et Inria / Philippe Dacaudin, 2006.

39Cette première ébauche de vêtement (fig. 5b) manque de réalisme : elle ne comporte pas les plis caractéristiques du drapé des surfaces développables. Une des possibilités pour les obtenir serait de demander à l’utilisateur de les dessiner, mais la qualité du résultat dépendrait alors de son savoir-faire. Une seconde solution consiste, par exemple, à injecter dans le système des connaissances concernant les surfaces développables, que ce sont des surfaces réglées, assimilables dans leurs parties lisses à des portions de plans, de cônes ou de cylindres. Il est alors possible d’optimiser progressivement la forme de la première surface calculée pour qu’elle tende vers une surface développable (fig. 5c). En mettant à plat les parties de cette surface délimitées par les coutures, on peut calculer un ensemble de patrons 2D. Les plis dans une posture donnée, ou au cours d’une animation, peuvent alors être calculés par simulation physique en maintenant l’isométrie aux patrons.

40Cependant, il reste peu naturel pour l’utilisateur de dessiner une surface développable « tendue », puis d’utiliser la simulation pour engendrer les plis : ces derniers ne correspondront alors pas forcément au résultat souhaité, le contrôle de la forme étant indirect. Dans l’idéal, les plis statiques, présents lorsque l’objet est au repos sous l’action de la gravité, devraient pouvoir faire partie du design. Certaines surfaces développables, comme les objets en cuir, pour lesquels la plupart des plis sont permanents, sont dessinées typiquement à l’aide de deux vues orthogonales, face et profil, sur lesquelles sont représentés les contours mais aussi toutes les silhouettes internes des plis (fig. 6).

Figure 6

Figure 6

Conception d’une botte en cuir à partir du dessin des silhouettes et des contours des plis.

© Grenoble-INP, CPE Lyon et Inria / Amaury Jung et Laurence Boissieux, 2015.

41Peut-on inférer une surface développable par morceaux à partir de tels croquis ? L’une de nos avancées les plus récentes exploite simultanément plusieurs définitions des surfaces développables pour élaborer ce type de construction. Après avoir calculé une représentation 3D approximative, nous améliorons progressivement la développabilité de la surface tout en maintenant son adéquation avec les silhouettes dessinées. Ces dernières correspondent à un ensemble de points inconnu au départ sur le modèle 3D. Ces points sont donc progressivement identifiés grâce à un mécanisme de « contraintes glissantes » qui tirent à chaque étape le modèle 3D vers les silhouettes désirées. Un modèle 3D réaliste correspondant au croquis est ainsi calculé, et les patrons correspondants en seront déduits comme avec l’approche précédente.

42Enfin, le maintien du caractère développable de la surface d’un vêtement, via l’isométrie à un patron 2D au cours du temps, peut servir de base à une animation plus efficace. Des plis peuvent en effet être ajoutés à un vêtement animé en temps réel par simulation d’un maillage grossier. Pour cela, les zones où le maillage est compressé par rapport au patron sont suivies au cours du temps, et les directions de compression sont calculées pour en déduire les directions des plis manquants. Représentés par surfaces implicites à squelettes pour pouvoir glisser sur le vêtement, se fusionner et se séparer librement, les plis géométriques qui en sont déduits viennent déformer localement le maillage du vêtement, augmentant son réalisme. Découpler ainsi les phénomènes (en séparant simulation dynamique et plis géométriques) réduit le temps de calcul et facilite le contrôle par l’utilisateur. Nous verrons d’autres exemples de ces modélisations multicouches, ou « en trompe-l’œil », dans la suite de cette leçon.

Transfert de contenus existants

43Quel que soit son mode de création, la conception d’un nouvel objet virtuel est un art. Peut-on réutiliser les objets existants dans d’autres contextes plutôt que de les recréer ex nihilo ? Prenons comme exemple un opérateur conceptuellement simple, le transfert de contenus : il s’agit d’une version avancée du concept de « copier-coller » pour laquelle l’objet copié doit s’adapter automatiquement aux caractéristiques du nouveau support auquel il est destiné. Pour ce type d’opération dite « intuitive », l’utilisateur se fait une idée bien précise du résultat attendu. Encore une fois, la réussir exige de concevoir des modèles centrés sur l’utilisateur spécialisés, caractérisés par les connaissances qu’ils intègrent et les règles qu’ils sont capables de maintenir lors de la phase de déformation automatique du modèle transféré.

44Dans le cas d’un vêtement, peut-on le transférer automatiquement (avec les déformations attendues) à un autre personnage, de morphologie différente, comme si une couturière l’avait retaillé ? Les déformations que ce type d’opération recouvre sont loin d’être triviales, et relèvent dans la vie réelle d’un savoir-faire spécialisé. Quelles connaissances faut-il incorporer à nos modèles pour pouvoir les adapter en conservant leurs caractéristiques ? Y répondre demande d’exprimer en termes mathématiques des éléments relevant du design et de la perception visuelle d’une forme, comme le fait que l’orientation globale de la surface doit rester aussi similaire que possible sur les deux modèles.

45De même, peut-on transférer l’anatomie interne d’un personnage à l’autre ? Les données en entrée sont un personnage complet muni de toutes les structures anatomiques : ossature, muscles, principaux organes, systèmes veineux et nerveux, ainsi que l’enveloppe extérieure d’un second personnage. Ici, les règles à vérifier relèvent de lois anatomiques, comme par exemple le fait que les os soient droits et symétriques par rapport au plan sagittal, que les muscles – mais non l’ossature – soient proportionnels à la masse graisseuse, ou que les muscles doivent s’insérer en des points bien précis le long des os. Pouvoir créer en un instant des modèles anatomiques complexes, comme ceux illustrés sur la figure 7 dans des cas extrêmes, est utile non seulement pour les simulateurs d’entraînement médicaux, mais aussi pour les films d’animation 3D et les effets spéciaux, pour lesquels des déformations très réalistes fondées sur une simulation anatomique sont requises pour certaines scènes.

Figure 7

Figure 7

Transfert d’anatomie d’un humain virtuel à des personnages de morphologies variées.

© Inria, Université de Pennsylvanie, Grenoble-INP / Ali Dicko, 2013.

De la création 3D aux mondes virtuels animés

46Avec les exemples des vêtements et de l’anatomie, nous avons déjà abordé la création des éléments d’un « mondes virtuel », c’est-à-dire d’objets soumis à des lois physiques comme la gravité et aux interactions avec les objets voisins. Nous utiliserons ici l’expression « monde virtuel » dans un sens large : il peut s’agir d’une scène intégrant des éléments des mondes minéral, végétal et/ou animal, d’objets créés par l’homme ou, plus généralement, d’une scène constituée d’un grand nombre d’éléments, souvent animés, et devant respecter certaines règles de cohérence, tant au niveau de leur forme que de leur mouvement.

47Comment créer rapidement la multitude d’éléments, souvent similaires mais tous différents, constituant un tel monde ? Comment permettre au système de contribuer au réalisme tout en gardant notre propre contrôle sur la création ? Ce sont les problèmes que nous allons maintenant étudier.

  • 9 Ce dernier donnerait d’ailleurs lieu à des artefacts visuels, connus sous le nom de crénelage (alia (...)

48La spécificité des mondes virtuels – qu’ils représentent des environnements urbains ou naturels, et qu’ils soient peuplés ou non – est leur très grande complexité : celle des formes (pensons à un arbre avec ses détails de différentes dimensions, branches, feuilles, écorce, lichens), celle des mouvements (pensons à une rivière ou à une cascade), et, plus simplement, celle du nombre d’éléments à afficher ou à animer en même temps (pensons, par exemple, à une ville et à tous les éléments qu’elle contient). Si les autres sciences ont étudié, et étudient encore, la plupart des phénomènes qui nous intéressent ici – ce qui donne lieu à des collaborations passionnantes avec des spécialistes –, leurs modèles ne sont pas toujours applicables dans le contexte qui nous intéresse. Par exemple, ni la physique des fluides ni les simulations météorologiques ne sont adaptées pour générer la forme changeante des nuages tridimensionnels parcourant le ciel d’un monde virtuel. Lorsqu’elle est possible, la simulation d’un modèle classique n’offre qu’un contrôle indirect du résultat via les conditions initiales, et s’avère souvent coûteuse en temps de calcul. Prenons l’exemple d’une prairie qui s’étend à perte de vue. Le problème n’est pas tant la complexité géométrique des brins d’herbe, ni le calcul de leur mouvement (qui peut être calculé par simulation d’un modèle mécanique adapté), mais leur nombre. Ce dernier rend pratiquement impossible un simple affichage9, et encore plus le calcul du mouvement de chaque brin d’herbe sous une bourrasque.

  • 10 Platon, Protagoras, dialogue écrit aux alentours de 500 av. J.-C.

49Depuis plus de dix ans, des méthodologies spécifiques ont été développées en informatique graphique pour aborder le problème du nombre d’éléments à afficher ou à animer : les modèles sont dégradés automatiquement lorsqu’ils occupent peu de place à l’écran grâce à la simplification progressive de leur géométrie, puis si c’est nécessaire, grâce à des représentations alternatives, en trompe-l’œil. Par exemple, un ensemble de brins d’herbe, un arbre ou même une forêt peuvent être efficacement représentés, selon la distance, par des jeux de polygones semi-transparents portant des textures (tels des panneaux vitrés où sont peints les brins d’herbe ou un feuillage). Lorsqu’une animation est nécessaire, les mouvements dans ces zones sont simplifiés et calculés à moindre coût. Ces méthodes assurent l’utilisation de modèles géométriques précis et le calcul d’une animation réaliste pour les éléments regardés en gros plan grâce à des transitions indécelables, en cours de mouvement, entre ces représentations. À l’opposé, les objets hors du champ de vision sont retirés de la liste des éléments à traiter et à afficher. Ainsi, le monde virtuel se crée et s’anime sous notre regard, rappelant la vision du monde par les sophistes grecs du temps de Platon : « L’homme est la mesure de toute chose : de celles qui sont, du fait qu’elles sont ; de celles qui ne sont pas, du fait qu’elles ne sont pas10. »

50S’ils règlent en partie le problème du nombre d’éléments, ces modèles multi-résolution et ces transitions entre représentations ne font qu’effleurer le défi posé par la création des mondes virtuels. Créer un monde cohérent passe par le respect d’un certain nombre de règles, tant au niveau des formes statiques que des mouvements : les formes des massifs montagneux ou de la végétation doivent respecter certaines lois géologiques ou biologiques ; d’autres formes, comme celles de la chevelure d’un personnage ou d’une dune de sable, émergent d’interactions complexes entre éléments sous l’effet de la gravité ; les mouvements dynamiques doivent a minima prendre en compte l’inertie et vérifier le principe d’action-réaction lors d’une collision. Ces lois se compliquent lorsqu’il s’agit d’objets très déformables, de gaz ou de liquides (pensons à des vagues déferlant sur une plage). Comment imposer ces règles sans interdire le contrôle ? Et comment généraliser les interactions intuitives pour la création (dessin, sculpture), dans un contexte où les éléments sont trop nombreux pour être créés un à un, et doivent être animés ?

51Pour donner quelques éléments de méthodologie, abordons à nouveau ces défis sous l’angle de la conception de modèles graphiques centrés sur l’utilisateur, c’est-à-dire qui apportent de l’aide à l’utilisateur grâce aux connaissances intégrées dans les modèles. L’idée est de laisser la machine faire ce dont elle est le plus capable, à savoir assurer le respect de règles et de principes, et générer les éléments répétitifs. Déchargé de tâches fastidieuses et difficiles en matière de réalisme, l’utilisateur pourra se concentrer sur les aspects les plus créatifs. Pour montrer comment ces principes généraux peuvent se décliner selon la nature du problème à résoudre, nous allons donner trois exemples de stratégies pour le mettre en œuvre : la création d’un arbre, celle d’une chevelure, et l’animation d’une cascade.

Dessin multi-résolution et distributions statistiques

52Le premier défi à relever est la spécification rapide d’une forme 3D incluant une multitude d’éléments de différentes dimensions, structurés en distributions aux propriétés statistiques spécifiques du fait de lois naturelles qui les régissent. Nous allons discuter ce problème en étudiant la modélisation d’un arbre virtuel.

53On aimerait offrir à l’utilisateur la capacité de créer rapidement un arbre particulier dans sa forme, mais plausible, alors même que modéliser les milliers de branches de différentes dimensions qui le composent demanderait des connaissances spécifiques sur la structure des arbres et serait extrêmement fastidieux. Prenons ce défi comme une chance pour le réalisme : un modèle incorporant des connaissances appropriées sera capable de compléter de manière réaliste une donnée d’entrée incomplète de l’utilisateur. Dans le cas particulier qui nous intéresse, la nature biologique et l’autosimilarité statistique des distributions d’éléments au sein d’un arbre pourront être exploitées sans diminuer la capacité de contrôle fin du résultat.

54Pour concevoir ce modèle centré sur l’utilisateur, nous nous sommes inspirés, avec l’aide de nos collaborateurs de l’équipe Virtual Plants (Inria et Cirad), de la manière dont un humain procède habituellement pour dessiner : il raffine progressivement une forme générale pour aboutir aux détails les plus fins. L’idée est de permettre la création d’un arbre 3D à partir d’un dessin 2D multi-résolution : l’utilisateur dessine en un seul geste le contour de l’arbre ; le système s’appuie sur des lois géométriques et biologiques pour en déduire la structure interne de premier niveau, c’est-à-dire la position des plus grosses branches, que l’utilisateur peut corriger manuellement s’il le souhaite. À l’aide d’un gros plan sur l’une des sous-structures associées, l’utilisateur peut alors raffiner localement son dessin, et ainsi de suite sur plusieurs niveaux, jusqu’à aboutir à la représentation d’une feuille. Tandis qu’il revient vers une vue d’ensemble, les structures dessinées peuvent être complétées par la génération de distributions aléatoires de sous-branches sur les branches voisines de même niveau, tout en vérifiant les mêmes propriétés statistiques que pour les parties dessinées. En particulier, chaque structure 2D est également étendue en 3D grâce à des connaissances sur les représentations graphiques (les branches pointant vers l’avant et vers l’arrière ne sont typiquement pas dessinées et doivent être générées automatiquement) et à des connaissances biologiques en ce qui concerne la disposition des sous-branches le long d’une branche (phyllotaxie).

Figure 8

Figure 8

Création d’un arbre 3D par dessin multi-résolution. À chaque niveau d’échelle, la structure est déduite d’un trait de silhouette dessiné par l’utilisateur. Les détails sont générés, dupliqués et passés en 3D à partir des lois biologiques.

© Grenoble-INP, Inria et Cirad / Jamie Wither, 2009.

55Ainsi, un arbre complet comprenant des milliers d’éléments aléatoires, mais correspondant au croquis à chaque niveau d’échelle, est créé en une ou deux minutes. L’utilisateur n’y perd rien en contrôlabilité puisqu’il peut à tout moment intervenir pour redessiner une partie ou pour déformer une branche 3D à la main. Notons que, si nécessaire, le reste de la sous-structure peut être recalculé de manière à ce que les propriétés statistiques des distributions d’éléments soient maintenues.

Modèles multicouches pour le passage à l’échelle

56Le deuxième défi est la nécessité de passage à l’échelle pour générer et contrôler en des temps acceptables des contenus très complexes : nous allons le discuter dans le cas d’une chevelure virtuelle.

57Dans certains cas, une forme complexe ou un mouvement émergent des interactions entre un très grand nombre d’éléments : c’est le cas, par exemple, d’une chevelure, constituée typiquement de 100 000 à 200 000 cheveux. Quel contrôle offrir à l’utilisateur dans ce genre de cas ? Il ne souhaite sans doute pas avoir à définir la chevelure en passant par la forme et la position au repos de chaque cheveu, ni à spécifier leurs mouvements dynamiques lorsque le personnage est animé. En revanche, pouvoir spécifier la nature locale de la chevelure, lisse ou bouclée, les variations de la longueur des cheveux, ainsi que le volume de la chevelure est important pour le contrôle de l’effet visuel. Quant au mouvement, il désire l’automatiser le plus possible, de manière à assurer le respect des lois physiques.

58Non seulement l’animation d’une chevelure, mais aussi le calcul de sa forme statique posent un problème de passage à l’échelle : ces phénomènes émergent des interactions entre cheveux, dont le nombre est le carré de celui des cheveux individuels. De plus, ces derniers sont des fibres inextensibles rendant les simulations de matériaux élastiques par éléments finis inadaptées. Simuler ces phénomènes par des approches classiques serait rédhibitoire en temps de calcul.

59Le passage à l’échelle lors de l’animation peut être résolu grâce au principe des modèles multicouches, qui séparent les phénomènes à représenter en sous-phénomènes indépendants, représentés à des échelles de temps et d’espace parfois très différentes, et dont la cohérence est garantie par un couplage approprié à chaque pas de temps. Il y a huit ans, nous avons développé un tel modèle pour les chevelures, en collaboration avec la société L’Oréal et un laboratoire de physique parisien :

  • Forme et mouvement sont guidés par la simulation d’un certain nombre de « cheveux guides », grâce à un modèle développé spécifiquement pour les fibres inextensibles, la super-hélice, définie comme un assemblage de segments hélicoïdaux. Il s’agit d’un modèle minimal conçu pour représenter une tige mécanique de longueur constante ne comportant que des degrés de liberté en courbure et en torsion. Ce modèle permet de simuler de manière réaliste la forme d’un cheveu au repos ainsi que son mouvement dynamique.

  • Les interactions au sein de la chevelure sont traitées à une échelle moins fine, celle des mèches de cheveux : des volumes interagissant entre eux sont simulés autour de chaque cheveu guide. Des forces d’interaction anisotropes (réponses aux collisions, aux frottements) sont transmises aux cheveux guides à chaque pas de temps.

  • La chevelure affichée est constituée d’un grand nombre de cheveux géométriques qui sont créés par interpolation entre cheveux guides pour des cheveux lisses, ou par extrapolation de leur guide dans le cas de mèches bouclées.

Figure 9

Figure 9

Modélisation et animation de chevelures virtuelles par modèle multicouche : (a) spécification par croquis, (b) notion de cheveux guides et (c) résultat de simulation.

© Grenoble-INP, Inria, CNRS et L’Oréal / Florence Bertails, 2006.

60Grâce à ces principes, une animation réaliste peut être calculée en quelques minutes. Considérons maintenant la création d’une nouvelle coiffure. Puisque nous disposons d’un modèle physique approprié, elle peut être faite, comme dans le monde physique, en simulant des cheveux mouillés, donc plus lourds, puis en venant les couper, avant de simuler un processus de séchage et peut-être l’effet de différents produits cosmétiques. Les premières méthodes de modélisation de chevelures virtuelles en informatique graphique simulaient un tel « salon de coiffure virtuel ». La création de coiffures demandait des compétences spécifiques et pouvait prendre plusieurs heures. Repensant cette modélisation en termes de modèles centrés sur l’utilisateur, nous pouvons proposer une interface bien plus simple, comme celle de la figure 9 : l’utilisateur utilise le dessin pour paramétrer les cheveux à engendrer, en traçant quelques cheveux individuels et en ajoutant un trait symbolisant le volume de la coiffure (fig. 9a). Les paramètres extraits de ces croquis sont propagés et une version statique du modèle multicouche nous donne en quelques instants la chevelure correspondante (fig. 9c).

Combiner réalisme et contrôle

61Le troisième défi est de trouver la juste combinaison entre le réalisme visuel, obtenu grâce au respect automatique d’un certain nombre de lois, et le contrôle désiré par l’utilisateur, qui doit être simple et rapide. Nous allons aborder ce problème avec l’exemple des écoulements d’eau sur un massif montagneux, qui combine forme et mouvement. Parmi les éléments qui constituent un monde virtuel, les ruisseaux, les torrents et les cascades sont peut-être les plus difficiles à contrôler : en effet, leur trajectoire et leur débit sont déterminés de manière unique par le débit de l’eau à la source et par la pente locale du terrain. Cependant, le créateur d’un monde virtuel voudrait, dans l’idéal, pouvoir y dessiner les trajectoires des rivières, voire concevoir des chutes d’eau complexes. Sculpter itérativement le terrain pour que ces éléments prennent la forme souhaitée serait extrêmement long et difficile, même si chaque simulation d’écoulement pouvait être calculée en temps réel (ce qui est loin d’être le cas avec les modèles numériques standard pour la simulation de fluides incompressibles).

62Ce problème peut être résolu grâce à un couplage approprié de spécifications utilisateur – le réseau désiré pour les rivières, les cascades et les lacs –, et ceci à une résolution assez grossière ; et une série de détails générés automatiquement, y compris des déformations adéquates du terrain. Plus précisément, les altitudes sont adaptées pour que chaque écoulement se fasse dans la direction de la pente ; le rapport des débits est calculé automatiquement à chaque embranchement en fonction de critères de pente et d’angle ; le débit local et la pente sont associés pour calculer l’aspect visuel de cette portion de rivière ou de chute grâce à une classification adaptée des phénomènes ; l’aspect ondulant des rivières, en fonction de leur débit, peut être ajouté en utilisant les détails du terrain sous-jacent. Le terrain est finalement sculpté localement pour modéliser les berges des rivières et des torrents, ainsi que les surplombs en haut des cascades. Ainsi, en quelques instants, l’utilisateur peut spécifier un paysage naturel plausible.

Figure 10

Figure 10

Création interactive d’un réseau plausible de chutes d’eau et de rivières, avec adaptation automatique du terrain et maintien de la cohérence en matière de débits et d’aspect visuel.

© Grenoble-INP, Université de Montréal (Canada) et Inria / Arnaud Émilien, 2015.

*
*   *

63Nous n’avons abordé ici que quelques exemples des modèles et des méthodes qui émergent, depuis quelques années, en informatique graphique pour offrir à tout utilisateur la faculté de « façonner l’imaginaire ».

64Parmi la nouvelle génération de représentations géométriques et d’outils dédiés à la création intuitive de formes 3D qui s’est développée ces dernières années, j’aimerais insister sur les modèles et outils suivants : le développement des surfaces implicites – une représentation originale de la géométrie s’appliquant aux formes statiques comme à l’animation –, les méthodes de modélisation intuitive comme la sculpture virtuelle et la modélisation 3D à partir de dessins 2D, ainsi que les algorithmes permettant la réutilisation et le transfert de modèles existants. Les modèles géométriques 3D ainsi créés peuvent être utilisés comme éléments d’un monde virtuel ou fabriqués sous forme de prototypes réels.

  • 11 Les enregistrements audio/vidéo des cours et des séminaires permettant d’approfondir ces problémati (...)

65Par ailleurs, l’extension des techniques de modélisation expressive à la création des mondes virtuels animés permet non seulement de créer les éléments d’un paysage en combinant génération procédurale (donc automatisation et réalisme visuel) et contrôle, mais aussi d’animer efficacement les scènes naturelles et de peupler ces mondes virtuels d’humains ou de créatures animées. Les mondes virtuels sont utilisés dans les films, les jeux vidéo et les simulateurs d’apprentissages. L’adaptation des méthodes de modélisation intuitive à la création de ces contenus animés reste en grande partie à inventer11.

Quels défis pour façonner l’imaginaire ?

66Dans la vie courante, beaucoup d’entre nous se sentent incapables de créer des formes – ils « ne savent pas dessiner », encore moins sculpter, et l’orchestration de mouvements expressifs leur semble probablement encore plus inaccessible. Même si elle s’appuie sur les métaphores de dessin ou de sculpture, la création 3D numérique offre l’espoir de mettre ces gestes réputés difficiles à la portée de tous grâce aux modèles incorporant des connaissances pour augmenter le réalisme, grâce à la faculté de créer les contenus progressivement, de l’ébauche jusqu’aux détails (tout en pouvant revenir en arrière à tout moment et se placer à l’échelle la mieux adaptée pour modifier sa création), et enfin grâce à la capacité de réutiliser des contenus existants pour les assembler ou les transférer vers un autre contexte. Contrairement à un débutant, un artiste n’aura pas envie que le système lui prenne le stylet des mains pour créer à sa place : un des premiers défis pour l’avenir sera de concevoir des outils plastiques capables de s’adapter à leur utilisateur en offrant un curseur entre la liberté qui lui est laissée et l’aide apportée par le système.

67Beaucoup de méthodes de création 3D ont été conçues jusqu’à présent pour un type donné de contenu : un vêtement, une chevelure, un arbre. Un des défis qu’il reste à surmonter est de permettre la modélisation intuitive de formes générales constituées d’éléments 3D, 2D, 1D, peut-être arrangés en distributions hiérarchiques – en réduisant autant que possible le besoin de connaissances a priori sur leur fonction. Cela demande non seulement d’étendre la création par dessin à des formes hiérarchiques comportant des distributions d’éléments de toutes dimensions, mais aussi d’être capable de déformer, de sculpter ces assemblages tout en respectant leur cohérence, en les gardant « fonctionnels ». Une piste possible, pour ce faire, est d’extraire la fonction de la forme. Elle commence à être explorée, au sein de mon équipe, dans le cas spécifique des prototypes industriels.

68Enfin, un dernier défi consiste à étendre pleinement les principes et les techniques de modélisation intuitive au contenu animé.

  • Quels gestes utiliser en premier lieu pour créer des mouvements ? On peut présager que, contrairement au cas des formes, le dessin n’est pas forcément le geste le plus approprié pour créer et contrôler des mouvements. Parmi les autres modes d’interaction avec le monde dont nous disposons, les gestes de la main et du corps, ou les mimiques faciales, pourront être exploités. Plusieurs avancées récentes popularisées par le développement de caméras de profondeur comme la Kinect, de capteurs gyroscopiques ou de dispositifs mesurant l’activité musculaire, comme le bracelet Myo, ouvrent la porte à ces nouveaux paradigmes d’interaction. Bien souvent, le geste de l’utilisateur ne devra pas être reproduit de manière littérale, mais interprété et transposé au contenu à contrôler. Par exemple, pourquoi ne pas contrôler la marche expressive d’un personnage à l’aide d’un geste des doigts marchant sur une table, ou utiliser le mime et le jeu d’acteur pour contrôler l’expressivité des personnages virtuels ? C’est alors véritablement une opération de transfert qu’il s’agit de mettre en place pour extraire l’intention de l’utilisateur plutôt que son mouvement spécifique, et transférer cette intention à un personnage virtuel muni de ses propres caractéristiques morphologiques, gestuelles et expressives.

  • Une fois ce contenu créé, comment le « sculpter », c’est-à-dire le modifier et le raffiner progressivement, tout en maintenant sa structure ? La sculpture d’animation n’en est qu’à ses débuts. Elle existe dans des cas très particuliers, comme la sculpture à grande échelle d’une animation pré-calculée de foule. Quelle interaction de l’utilisateur peut-on concevoir pour sculpter des mouvements généraux malgré leur dimension temporelle ? Faut-il s’arrêter dans le temps, ou au contraire accompagner le mouvement au cours du temps ? Comment modifier un mouvement réaliste, calculé par simulation, tout en s’assurant qu’il restera plausible ? Et qu’en est-il du transfert d’animations complètes d’un monde virtuel à un autre, avec une adaptation automatique au nouvel environnement tout en préservant la structure de l’action et son « style » ? Autant de questions qui laissent présager des années de recherche passionnantes.

Conclusion

  • 12 Gabriela Goldschmidt, « The dialectics of sketching », Creativity Research Journal, vol. 4, no 2, 1 (...)

69Au terme de plus de dix ans de recherche, nous assistons à l’émergence de logiciels de création 3D fondés sur des métaphores de sculpture ou de dessin, et accessibles aux professionnels comme aux amateurs passionnés (comme Zbrush, Sculptris, Jweel, ou Google SketchUp, pour n’en citer que quelques-uns), ou encore à l’engouement pour des jeux vidéo permettant aux utilisateurs de créer leurs propres mondes et créatures, en combinant progressivement des éléments très simples (comme Minecraft ou Spore). En parallèle, l’impression 3D se démocratise et mettra bientôt la création d’objets physiques à partir de ces contenus numériques à la portée du plus grand nombre. Attaquer les défis que nous venons d’évoquer contribuera à faire du média numérique un support permettant à chacun de voir, de toucher et même de façonner lui-même formes et mouvements imaginaires, jusqu’à les transformer en contenus 3D complexes et aussi plausibles qu’il le désire : « En ébauchant une forme, le créateur ne représente pas une image mentale, mais crée des représentations visuelles l’aidant à poursuivre sa conception12. »

70Le support idéal permettant d’observer des objets à peine entrevus mentalement, d’ébaucher leur mouvement avant même que les formes ne soient vraiment précises, puis de raffiner progressivement ces contenus jusqu’à une œuvre aboutie, n’existe pas encore. Mais les avancées actuelles permettent d’énoncer un certain nombre de principes qui permettront d’atteindre ce but, comme l’alchimie créée par l’injection de connaissances dans les modèles, mariée à des gestes de création intuitifs. Comme dans le monde réel, tout l’art consiste à cacher à l’utilisateur la complexité de ce qu’il manipule : déchargé des tâches répétitives et de la gestion de contraintes difficiles à maintenir, l’être humain augmenté par l’outil numérique pourra lâcher plus largement la bride à son imagination. Les progrès sont rapides, et tout laisse présager que cette révolution de la création numérique changera durablement l’activité humaine.

Pour finir cette leçon inaugurale, j’aimerais remercier chaleureusement tous les étudiants et les collègues avec qui j’ai eu la chance de travailler ; tout d’abord, ceux de mon équipe et des laboratoires auxquels nous sommes rattachés, le laboratoire Jean Kuntzmann à Grenoble et l’Inria de Grenoble Rhône-Alpes, les collègues de notre ancien laboratoire GRAVIR, ainsi que les collaborateurs nationaux et internationaux avec lesquels je travaille depuis des années sur ces thèmes.
J’adresse également mes vifs remerciements aux collègues, proches et amis qui ont bien voulu relire des versions préliminaires de ce texte et me suggérer des améliorations : Gérard Berry, Thomas Delame, Xavier Gascuel, Roland Jacquet et Pierre Poulin.

Anexos

Les enregistrements audio et vidéo de la leçon inaugurale sont disponibles sur le site web du Collège de France : https://www.college-de-france.fr/​site/​marie-paule-cani/​inaugural-lecture-2015-02-12-18h00.htm.

Notas

1 Colin Ware, Visual Thinking for Design, Morgan Kaufmann Series in Interactive Technologies, 2008.

2 C’est dans ce sens de « réalisme visuel » que j’emploierai le terme réalisme au cours de cette leçon inaugurale.

3 Par exemple, le film La Reine des neiges sorti des studios Disney en novembre 2013 a employé près de 650 personnes pendant deux ans, dont quinze scénaristes, plusieurs centaines de modélisateurs 3D, plus de soixante-dix animateurs, et une soixantaine de personnes travaillant sur la lumière et l’éclairage des scènes virtuelles. À titre de comparaison, le film Toy Story, sorti en 1995, avait occupé cent-dix personnes pendant quatre ans.

4 Rob Cook, allocution prononcée lors de la conférence Siggraph Asia, décembre 2008.

5 Daniel F. Keefe, Daniel A. Feliz, Tomer Moscovich, David H. Laidlaw et Joseph J. LaViola, Cave Painting: A Fully Immersive 3D Artistic Medium and Interactive Experience, actes du colloque sur le graphisme numérique 3D (I3D'01), ACM, 2001, p. 85-93, DOI : 10.1145/364338.364370.

6 En anglais : sketch-based modeling.

7 Une surface implicite est une surface définie non par l’énumération de ses points, mais par une propriété (une équation sur les coordonnées) qui permet de vérifier si un point donné de l’espace en fait partie ou non.

8 L’isométrie est la conservation des longueurs. Ici, la distance le long de la surface entre toute paire de points du vêtement 3D doit rester la même que la distance entre les points correspondants sur le patron 2D.

9 Ce dernier donnerait d’ailleurs lieu à des artefacts visuels, connus sous le nom de crénelage (aliasing en anglais), qui apparaissent lorsqu’un signal (ici, la prairie à afficher) est échantillonné à une fréquence trop basse (ici, les pixels constituant l’image qui, près de l’horizon, seront incapables de représenter la multitude de brins d’herbe qui s’y projettent).

10 Platon, Protagoras, dialogue écrit aux alentours de 500 av. J.-C.

11 Les enregistrements audio/vidéo des cours et des séminaires permettant d’approfondir ces problématiques sont disponibles sur le site internet du Collège de France : http://www.college-de-france.fr/site/marie-paule-cani/course-2014-2015.htm et http://www.college-de-france.fr/site/marie-paule-cani/_seminar.htm.

12 Gabriela Goldschmidt, « The dialectics of sketching », Creativity Research Journal, vol. 4, no 2, 1991, p. 123-143, DOI : 10.1080/10400419109534381.

Índice de ilustraciones

Título Figure 1
Leyenda Créations numériques.
Créditos © Grenoble-INP, Inria et Université Lyon I / Lucian Stanculsecu, 2013 ; Jean-Claude Léon, 2014 et Arnaud Émilien, 2012.
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/4760/img-1.png
Archivo image/png, 143k
Título Figure 2
Leyenda Dessiner ou sculpter pour créer une forme numérique 3D. De gauche à droite : (a) création 3D par le système de dessin MATISSE ; (b) sculpture d’une argile virtuelle grâce au hand navigator ; (c) sculpture à volume constant par déformation de l’espace.
Créditos © Grenoble-INP, Inria et Université d’Otago (Nouvelle-Zélande) / Adrien Bernhardt, 2008 ; Paul Kry, 2008 et Alexis Angelidis, 2004.
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/4760/img-2.png
Archivo image/png, 117k
Título Figure 3
Leyenda Interprétation de dessins 2D : (a) formes inconnues et (b) formes connues.
Créditos © Laurence Boissieux, 2011 et Estelle Charleroy, 2015.
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/4760/img-3.png
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Título Figure 4
Leyenda Création rapide d’une forme représentée par surface implicite à l’aide de dessins successifs, rendu réaliste, puis impression 3D.
Créditos © Grenoble-INP, Université Toulouse III et Inria / Adrien Bernhardt, 2008.
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/4760/img-4.png
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Título Figure 5
Leyenda (a) Croquis représentant les silhouettes et les bords apparents d’un vêtement ; (b) ébauche 3D ; (c) approximation développable ; (d) simulation des plis et (e) réalisation réelle à partir des patrons calculés.
Créditos © Grenoble-INP, Université de Colombie britannique et Inria / Philippe Dacaudin, 2006.
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/4760/img-5.png
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Título Figure 6
Leyenda Conception d’une botte en cuir à partir du dessin des silhouettes et des contours des plis.
Créditos © Grenoble-INP, CPE Lyon et Inria / Amaury Jung et Laurence Boissieux, 2015.
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/4760/img-6.png
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Título Figure 7
Leyenda Transfert d’anatomie d’un humain virtuel à des personnages de morphologies variées.
Créditos © Inria, Université de Pennsylvanie, Grenoble-INP / Ali Dicko, 2013.
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/4760/img-7.png
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Título Figure 8
Leyenda Création d’un arbre 3D par dessin multi-résolution. À chaque niveau d’échelle, la structure est déduite d’un trait de silhouette dessiné par l’utilisateur. Les détails sont générés, dupliqués et passés en 3D à partir des lois biologiques.
Créditos © Grenoble-INP, Inria et Cirad / Jamie Wither, 2009.
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/4760/img-8.png
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Título Figure 9
Leyenda Modélisation et animation de chevelures virtuelles par modèle multicouche : (a) spécification par croquis, (b) notion de cheveux guides et (c) résultat de simulation.
Créditos © Grenoble-INP, Inria, CNRS et L’Oréal / Florence Bertails, 2006.
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/4760/img-9.png
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Título Figure 10
Leyenda Création interactive d’un réseau plausible de chutes d’eau et de rivières, avec adaptation automatique du terrain et maintien de la cohérence en matière de débits et d’aspect visuel.
Créditos © Grenoble-INP, Université de Montréal (Canada) et Inria / Arnaud Émilien, 2015.
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/4760/img-10.png
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Autor

Professeur invité sur la chaire annuelle d’Informatique et sciences numériques (2014-2015)

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