Cette page présente la technique dite Image based Lightning (IBL), qui consiste à utiliser une image panoramique pour éclairer une scène 3D.

Idée
Historique
Principe
Avantages de l'IBL
Inconvénients de l'IBL
HDR (ou HDRI)
1. Exemples de format d'images HDRI
2. Prise de vue et création d'une image HDR
Le rendu : Illumination Globale
Applications
IBL : Mise en pratique
1. Bryce
2. Blender
3. Maya

1 Idée

Parvenir à des méthodes d'éclairage de scènes 3D plus naturelles en partant du réel pour le reproduire.

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2 Historique

Par le passé, la manière « classique » pour éclairer une scène était la méthode des trois sources de lumière. Néanmoins, si cette technique issue de la photographie permet de mettre en valeur les modèles 3D, elle ne permet pas un photoréalisme poussé.
La technologie liée au HDRI (High Dynamic Range Imaging), que nous verrons plus loin, a été adaptée à la synthèse d'image en 85 par Gregr Ward, qui développa le logiciel Radiance (qui permet le rendu et la simulation d'éclairage).
En 1997, lors du SIGGRAPH, Paul Debevec présente sous le titre « Recovering high dynamic range radiance maps from photographs » : une méthode permettant de récupérer des cartes d'éclairage à partir de photos. L'année suivante, il va plus loin avec une méthode pour faire un rendu d'objets dans des scènes réelles. Depuis, la technique n'a cessé de se développer.

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3 Principe

Capturer l'illumination d'une scène réelle sous forme d'une image HDR omnidirectionnelle.
Mapper cette illumination sur une représentation virtuelle de l'environnement réel.
Placer l'objet dans cet environnement
Simuler la lumière provenant de l'environnement qui illumine l'objet virtuel.

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4 Avantages de l'IBL

Réalisme accru de façon frappante ;
Possibilité de mêler facilement images réelles et virtuelles : acteur « scanné » puis placé dans un environnement réel dont il est absent, ajout d'objets dans des scènes réelles, etc. ;
Le HDR permet de prendre en compte les sources lumineuses de façon plus réaliste pour les flous de bougé ou de mise au point.

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5 Inconvénients de l'IBL

En théorie, l'IBl nécessite une prise de vue réelle. En pratique on utilise parfois des environnements virtuels (ex : scène issue de Terragen, un logiciel de 3D axé sur la création de paysages).

La prise de vue réelle implique un temps plus long de préparation par rapport à un éclairage 100% virtuel.

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6 HDR (ou HDRI)

Les formats courants d'images, tels que le jpeg, chaque composante R,V,B d'une image est codée sur 256 valeurs, soit 24 bits par pixels. Ainsi, le pixel le plus brillant sera 255 fois plus billant que le plus foncé. Ceci ne correspond pas à la réalité : lumière d'une bougie/du soleil, par exemple. Les images réelles auront besoin d'une gamme dynamique plus large, avec un écart entre les zones sombres et claires qui sera de l'ordre du millier, voire du million.
Les images HDRI (High Dynamic Range Imaging, par opposition aux images classiques dites Low Dynamic Range) utilisent davantage de bits par pixel, afin de stocker une plus grand dynamique. En pratitque, il pourra s'agir de 32 voire 96 bits/pixel.

Pour l'IBL, on utilise des images HDRI couvrant l'ensemble de l'espace (panoramique 360°*180°) ; Les techniques utilisées pour les obtenir sont développées dans le paragraphe suivant.

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6.1 Exemples de format d'images HDRI

Pixar 33-bit log-encoded TIFF ;
Radiance 32-bit RGBE and XYZE ;
IEEE 96-bit TIFF & Portable FloatMap ;
16-bit/sample TIFF (I.e., RGB48) ;
LogLuv TIFF (24-bit and 32-bit) ;
ILM 48-bit OpenEXR format.

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6.2 Prise de vue et création d'une image HDR

Il existe deux techniques principales pour obtenir les images HDR qui sont utilisées pour l'IBL :

A l'aide d'une sphère réfléchissante : c'est la technique employée par Debevec. Il utilise une sphère destinée à l'origine à la mécanique (bille de roulement chromée).
On prend plusieurs photos de la sphère, en différentes positions et avec différentes expositions. Un logiciel comme HDRshop peut ensuite assember ces images de façon à créer une image angulaire HDR.
Avantages : rapide, simple, peu cher.
Inconvénients : l'image finale est moins précise que pour la seconde méthode (moins nette). Néanmoins, l'utilisation d'une image en haute résolution augmente fortement le temps de calcul, cette solution est donc la plus souvent choisie.
L'image suivante montre une série d'images que j'ai réalisées pour créer une de ces images (elle a par la suite été utilisée pour la scène rendue sous Bryce) :

Création d'un light probe HDRI: méthode de la sphère réfléchissante
On crée plusieurs photos panoramiques prises du même point de vue (panoramique par assemblage, avec des logiciels comme Stitcher, Hugin, Autopano pro...) à différentes expositions, puis on créer le fichier HDR en rassemblant ces images.
Les avantages et inconvénients sont inverses par rapport à la première méthode.

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7 Le rendu : Illumination Globale

Une fois L'image HDR acquise, il s'agit de générer les sources lumineuses correspondantes. Une technique commune est de générer une sorte de constellation de sources lumineuses.

Le principe est le suivant : à partir des intensités enregistrées dans l'image HDR, on génère les sources avec un niveau de détail plus ou moins élevé selon le niveau de réalisme voulu et l'application (le temps de calcul augmentant lors du rendu si on a plus de sources). Les caractéristiques de la source (intensité, couleur) sont tirées de l'image de départ.

L'algorithme utilisé est de type median-cut :

On part de l'image affichée en coordonnées « latitude/longitude » (image rectangulaire et non angulaire) ;
On divise ce rectangle en 2 le long du plus long côté du rectangle, de façon à avoir deux zones d'intensités lumineuses totales égales ;
On applique le même principe aux deux zones obtenues, de façon récursive. On ne subdivise pas une zone si elle est trop sombre ;
L'arrêt à lieu lorsqu'on atteint un nombre n prédéfini de subdivisions ;
On place une source lumineuse (on en obtient donc au plus 2^n) au niveau du centre du « centroïde » de chaque région obtenue ; la couleur de la source et son intensité sont déterminées en faisant la somme des pixels et toute la région.
(le « centroïde correspond au fait que l'on place la source lumineuse au niveau du « barycentre » de la surface, chaque point étant pondéré par son intensité lumineuse).