Si vous avez déjà lutté lors du dépliage de l'UV map d'un modèle 3D, cet article est fait pour vous !

Ce billet de blog est plus long que d'habitude, j'espère avoir su rester raisonnable... Je suis preneur de toute critique ou remarque, pour pouvoir éventuellement faire d'autres articles de ce type.

Brent Burley et Dylan Lacewell, qui travaillent tous deux pour les studios d'animation Disney, ont mis au point une technique visant à éliminer du processus de création 3D l'étape de l'assignement d'UV. Le but est de gagner du temps -et donc de l'argent- à l'aide d'un système ne nécessitant aucune étape manuelle, et pouvant gérer des modèles arbitraires en complexité ou en niveau de détail des textures.

Petit rappel : au fait, c'est quoi une map UV ?

Une UV map est une texture 2D utilisée pour texturer un objet 3D ; une sorte de papier peint que l'on va appliquer sur ce modèle. Ainsi, une mappemonde peut servir à texturer un globe. En pratique, on part de l'objet 3D, et on va créer les parties planes, en coupant au besoin. Un peu comme pour récupérer la peau d'un animal, en somme.

Ce processus est assez complexe pour des objets définis en surface de subdivision -le type de modélisation largement utilisé dans l'industrie du cinéma d'animation et du jeu vidéo- , car cette mise à plat n'a alors rien de naturel.

Selon le type d'objet, on aura tendance soit à déformer un peu plus la texture (comme la mappemonde, déformée aux pôles) soit à devoir couper plus. La difficulté lorsque la texture est très découpée est bien entendu d'avoir des raccords invisibles sur l'objet.

Il est possible de réaliser de façon automatique ou semi-automatique cette opération via différentes méthodes, dont voici deux exemples :

• le pelting (qui consiste littéralement à peler l'objet) est largement utilisé. La "peau" est étirée pour être mise à plat. La méthode, développée par Piponi et Borshukov, combine par ailleurs plusieurs textures qui se superposent pour éliminer toute trace visuelle des "coutures" sur le rendu de l'objet 3D.
  
  Texture pelting: Piponi et Borshukov, Siggraph 2000
  Cette façon de procéder peut néanmoins créer des problèmes de filtrage de textures, et ne peut pas s'appliquer à tous les types d'objets.
• Les atlas de textures, eux, consistent à utiliser une sorte de patchwork. Le processus est automatisé (alors qu'il fallait encore du contrôle manuel avec le pelting) mais là encore des problèmes de filtrage persistent.
  Atlas de textures: Levy et al., Siggraph 2002.

Au final, l'essentiel est de retenir que la plupart des méthodes actuelles sont limitées : problèmes de filtrage1 (aliasing, gestion imparfaite des coutures, filtrage anisotrope), processus pas entièrement automatique, résolution limitée de la texture, procédé non généralisable. Ceci explique de des chercheurs et studios continuent de faire de la recherche dans ce domaine.

Ptex : une autre méthode

L'approche choisie par Brent Burley et Dylan Lacewell est d'utiliser une texture par face du maillage de l'objet 3D. Ainsi, le système de textures découle directement de la géométrie de l'objet. L'image qui suit montre le résultat sur un maillage de tête de T-Rex : les axes U et V correspondent aux coordonnées 2D de la texture (d'où le nom d'UV map).

Ptex: une texture par face

On voit immédiatement qu'avec un nombre de textures aussi énorme, les problèmes de filtrage évoqués plus haut peuvent poser problème. Si par exemple on ne cache pas les coutures, la méthode risque dêtre totalement inutile...

L'astuce va être d'attribuer à chaque face des informations permettant de savoir quelles sont les faces voisines. Cela va permettre d'effectuer les opérations de filtrage en prenant en compte les textures adjacentes, comme si la couture n'existait pas.

Ptex du point de vue de l'artiste

Pour l'infographiste, Ptex est relativement simple à utiliser. La résolution de la texture s'adapte à la géométrie : inutile de mettre des textures énormes pour des faces très petites. Il est possible d'agir sur les textures, par exemple en augmentant manuellement leur résolution si l'on veut détailler une zone précise. La peinture se fait directement sur le modèle 3D, en temps réel.

Le mieux, pour se faire une idée, est de visualiser une vidéo montrant le système en action :

Pour un flux de production professionnel, les avantages sont évidents : les modeleurs ne sont pas concernés par les textures, et les infographistes qui réalisent les textures n'ont plus à se casser les dents sur la gestion des UV maps.

Enfin, la méthode a permis de réduire considérablement les problèmes de flux d'entrée-sortie ; il ne faut en effet pas oublier que les studios travaillent en réseau, et que la gestion des données est un problème critique (par exemple lorsque l'on doit charger plusieurs millions de textures pour rendre une image d'un film).

Ptex en pratique

Ptex a déjà été utilisé dans deux films d'animation : le court-métrage Glago's Guest, qui sera diffusé juste avant le film La Princesse et la Grenouille (sortie fin 2009 aux USA), et Bolt (Volt en français).

Bolt

Ptex pour le rendu temps réel ?

Pour le moment, Ptex est clairement orienté vers le rendu non temps réel. Gérer un nombre élevé (dizaines de milliers) de petites textures sur les cartes graphiques est loin d'être évident ; de plus, le filtrage prenant en comptes les faces voisines deviendrait prohibitif pour du temps réel. La prévisualisation temps réel visible dans la vidéo ne se préoccupe d'ailleurs pas des problématiques de filtrage, et le système de rendu est très basique (nearest point sampling).

Il est donc très peu probable de voir Ptex rapidement employé dans des jeux, d'autant plus que l'utilisation de modèles low-poly (peu de polygones) simplifie les problèmes de dépliage d'UV map. Par contre, on peut imaginer pouvoir utiliser ce genre de technique à plus long terme, avec l'essor du GPGPU et l'augmentation des performances des cartes graphiques.
On peut par ailleurs penser que les cinématiques en 3D temps réel incluses dans certains jeux seront les premières à bénéficier de ce type de rendu.

Pour en savoir plus

J'ai essayé de ne pas faire un article trop long, et j'ai donc été obligé de passer certains points techniques. Le site de Dylan Lacewell comporte une page sur Ptex donnant plus d'informations : une présentation sous forme de slides et une autre vidéo.
Le papier complet de présentation est disponible uniquement sur demande, pour des raisons de copyright : le papier a été créé pour Eurographics (une association européenne sur la synthèse d'images au sens large), qui interdit la diffusion publique pendant un an.
Je vous conseille donc fortement d'écrire directement (et en anglais) à Dylan Lacewell (son e-mail est indiqué sur la page de Ptex).

Pour finir, un grand merci à Dylan Lacewell et Brent Burley pour leurs réponses aux différentes questions que j'ai pu leur poser.

1. 1. Pour ne pas alourdir encore plus le billet de blog, j'ai préféré passer les détails du filtrage ; pour plus d'informations on pourra lire le filtrage des textures sur Tom's hardware