Projet
Le
ray tracer ... à la
rencontre de l'informatique, des mathématiques et de la physique
Auteur : Simon Vézina
(svezina@cmaisonneuve.qc.ca)
Département de physique
Collège de Maisonneuve
|
Description du
sujet
Le ray tracer est un
programme informatique qui fut initialement développé par Arthur Appel
en 1968 et largement amélioré dans les années 80 qui consiste à générer
une image 2D à partir d'une description d'un environnement 3D par
l'analyse du parcours d'un rayon de lumière initialement lancé depuis la
position d'une caméra et voyagement dans la scène à visualiser. En
lançant un ou plusieurs rayon dans chacun des pixels d'une grille située
devant la caméra, l'intersection de ces rayons avec les géométries de la
scène permettre d'évaluer la visibilité de celles-ci par rapport à la
caméra et leur position par rapport au différentes sources de lumière
permet d'en déterminer leur couleur ce qui déterminer la couleur des
pixels de la grille. L'image formée sur la grille devient la
visualisation 2D de la scène.
De nos jours, l'algorithme du
ray tracer est utilisé dans plusieurs logiciels d'animation 3D
afin d'y produire des films d'animations ou des effets spéciaux au
cinéma. En raison de l'augmentation de la puissance de calcul des
ordinateurs grâce aux systèmes multiprocesseurs, des chercheurs pensent
être un jour capable d'intégrer cette technologie aux jeux vidéo en
temps réel.
Dans le cadre de ce projet,
l'application SIMRenderer a été développée dans le
langage JAVA. Elle correspond à une implémentation simplifiée d'un
ray tracer. Cette application à caractère pédagogique a été
conçue pour supporter les fonctionnalités suivantes d'un
ray tracer
:
Documentation :
•
Documentation interne disponible en format
javadoc
(en français uniquement).
•
Une javadoc en format HTML est disponible en ligne
ici.
•
Intégration de JUnit Test permettant d'analyser la qualité des
algorithmes implémentés.
Chargement de l'application :
•
Configuration de l'application à l'aide d'un fichier
configuration.cfg
.
•
Chargement de scène par lecture de fichier
de format txt .
•
Écriture d'un fichier log.txt après l'exécution du programme
pour décrire l'état de l'exécution du programme.
•
Affichage de message d'erreur lors d'une mauvaise définition d'un
fichier de scène avec numéro de ligne et suggestion pour corriger
l'erreur.
Géométrie :
•
Intersection de géométrie de base (plan, triangle, disque, sphère,
tube, cylindre, cône).
•
Intersection de géométrie avancée (coquille sphérique,
tore, lentille).
•
Transformation des géométries dans l'espace (translation,
scale, rotation) par calcul matriciel de
format 4×4.
•
Chargement de modèle 3D (obj
Wavefront)
Illumination :
•
Modèle d'illumination direct par réflexion ambiante, diffuse et spéculaire.
• Source
d'éclairage multiple avec facteur d'atténuation
(ambiante,
directionnelle, ponctuelle).
• Source
d'éclairage composée d'oscillateurs pouvant générer des ondes afin de
reproduire des patrons d'interférence et de diffraction (ouverture
rectangulaire, ouverture circulaire, ouverture obstruée par une texture).
• Calcul
d'ombrage par rayon d'ombre (shadow ray).
• Modèle
d'illumination indirecte par réflexion et réfraction avec niveaux de
récursivité variables.
Texture :
•
Chargement de texture de couleur (gif, png, jpg, tga, dds (en
développement))
•
Application de texture de couleur (texture mapping) sur des géométries (triangle, sphère).
Amélioration/optimisation :
•
Solution d'anticrénelage par lancé de rayons multiples (supersampling).
•
Infrastructure supportant le multiprocesseur (multithreading).
•
Partitionnement de l'espace (linéaire, voxel, multi-voxels).
Pour avoir accès à l'ensemble
des fonctionnalités de l'application
SIMRenderer, la réalisation de ce projet sera nécessaire.
Il est possible d'obtenir l'application dans son intégralité sous certaines conditions
(contactez
svezina@cmaisonneuve.qc.ca pour
plus de détail).
|
https://en.wikipedia.org/wiki/Ray_tracing_(graphics)
Le ray tracer
permet de réaliser la projection d'un
univers virtuel à 3D sur un plan à 2D afin de généré une image.
http://leaks.wanari.com/2017/05/31/ray-tracing-akka-part-1/
Le ray tracer
lance des rayon récursif afin
d'évaluer la couleur appropriée à affecter à chacun des pixels d'une
image.
https://en.wikipedia.org/wiki/Ray_tracing_(graphics)
La qualité d'un
ray tracer dépend de son aptitude à
bien simuler le comportement physique de la lumière.
|
La galerie du
projet
Vous pouvez visualiser quelques
réalisations de l'application SIMRenderer
au lien suivant :
http://profs.cmaisonneuve.qc.ca/svezina/projet/ray_tracer/galerie.html
Description du
projet
Le projet consiste à faire des liens
entre l'informatique, les mathématiques et de la physique par l'étude de
différentes fonctionnalités d'un algorithme de
ray tracing. En d'autres
mots, un ray tracer est un programme hautement multidisciplinaire où
les contributions de plusieurs compétences sont nécessaires au bon
fonctionnement du programme. Voici une liste abrégée de quelques contributions
disciplinaires :
| Informatique |
Physique |
Mathématique |
•
Le ray tracer
comporte plusieurs éléments (caméra, écran de vue, pyramide de vue,
géométrie, matériel, source de lumière, etc) dont l'intégration doit
être réalisée dans une bonne architecture.
• L'étude des
structures des données
permet de partitionner les géométries d`une scène afin de réduire le
nombre de calculs d'intersection entre les rayons lancés et les
géométries ce qui permet de générer plus rapidement les images.
• Le
ray tracer permet de lancer de
façon récursive des rayons afin d'y généré des effets
visuels plus complexes.
• Le
ray tracer peut être accélérée
à l'aide d'une stratégie de parallélisme
(multithreading) ce qui rend la programmation et la gestion de la
mémoire plus complexe. |
• En appliquant des lois
de l'optique géométrique, on peut simuler des effets
visuelles comme la réflexion et la réfraction.
• En appliquant des lois de
l'optique ondulatoire, on peut simuler des effets visuelles
comme l'interférence et la diffraction.
• En analysant le comportement de la
lumière-matière, on peut déterminer la couleur d'un objet par le
développement d'un algorithme d'illumination. |
• En appliquant du
calcul vectoriel, on peut réaliser le calcul de
l'intersection entre un rayon et plusieurs formes géométriques (plan,
triangle, sphère, cylindre, cône, etc).
• En appliquant du
calcul matriciel,
on peut déformer et visualiser des modèles 3D complexes de haute
qualité.
• En appliquant du
calcul
statistique, on peut réduire le temps de calcul d'une scène en
partitionnant judicieusement un ensemble de géométries par une analyse
de leur taille et leur forme. |
Ainsi, le projet
consistera à
(1)
se documenter sur le sujet du ray tracer
par
des lectures
de notes de cours,
(2)
cheminer dans un laboratoire informatique
où des directives sont disponibles pour être orienter dans l'implémentation des
différentes fonctionnalités manquantes d'un programme de
ray tracing
déjà existant (SIMRenderer) mais partiellement fonctionnel,
(3) visualiser des
scènes déjà construites afin de vérifier la qualité des implémentations,
(4) répondre à des
questions théoriques afin de réaliser les avantages et les défaillances d'un
algorithme de visualisation 3D comme le ray tracing.
Compléter le laboratoire redonnera
la grande majorité des fonctionnalités au programme
SIMRenderer.
Conférence en lien
avec le projet
Voici quelques conférences qui ont
été réalisées dans le cadre de la mise en œuvre de ce projet. Les contenus des
présentations sont disponibles à l'aide des
liens suivants :
Documentation du
projet
Pour réaliser ce projet, il est
important de se documenter sur le sujet du ray tracer. À partir des
notes de cours disponible ici-bas, une lecture permettra de s'initier à plusieurs
caractéristiques du ray tracer ainsi qu'aux différents calculs réalisés
lors de l'exécution du programme.
Référence :
Note de cours en lien avec la réalisation du projet (Le
ray tracer ...
à la rencontre de l'informatique, des mathématique et de la physique).
Note de cours rédigée par Simon Vézina, Collège de Maisonneuve
Référence :
Note de cours en lien avec le cours de physique 203 - NYC : Ondes et physique
moderne
Note de cours rédigée par Simon Vézina, Collège de Maisonneuve
Articles scientifiques
Voici quelques articles scientifiques qui ont été consultés pour
l'élaboration de ce projet.
-
A_Fast_Voxel_Traversal_Algorythm_For_Ray_Tracing.pdf
Réalisation du projet
: Le ray tracer
version : 2.2.0.1
La réalisation de ce projet se fera
lors d'une activité de laboratoire. Pour ce faire, il faudra réaliser
l'installation d'une plateforme de développement JAVA, télécharger le code
source en lien avec le laboratoire.
Initialement, le programme ne fait
que générer des images noire. Tout au long de ce laboratoire séparé en trois
parties, le programmeur est
invité à suivre des directives proposées dans des protocoles de laboratoire et de remplir
des feuilles de données
électroniques au fur et à mesure que les étapes sont
complétées. Des images illustrant l'évolution et l'amélioration du programme
seront générés afin de permettre au développeur de vérifier la qualité de sa
programmation.
Installation de la plateforme de
développement JAVA
Voici les liens vous permettant de télécharger l'environnement de
développement JAVA :
Laboratoire : Le ray tracer - Partie 1
La 1re partie du laboratoire consiste à
introduire
le développeur au programme de
ray tracer
dont plusieurs fonctionnalités sont manquantes. Le développeur pourra
implémenter quelques fonctions de base nécessaire au fonctionnement d'un
ray tracer comme l'évaluation des racines réelles d'un polynôme et
d'utiliser ce calcul pour évaluer l'intersection entre un rayon et un
plan. Des images contenant des plans, des cubes ainsi que des disques
pourront être visualisées. Afin de se préparer à cette 1re
partie, il sera préférable de compléter le prélaboratoire suggéré.
Laboratoire : Le ray tracer - Partie 2
La 2e partie du laboratoire consiste à introduire le
développeur au algorithme d'illumination. En
implémentant des modèles d'illumination comme la réflexion ambiante,
diffuse et spéculaire, le développeur pourra visualiser des images avec
des couleurs influencées par une ou deux sources de lumière. Un modèle
simple d'illumination indirecte comme la réflexion et la réfraction sera
implémenté pourra ajouter des effets visuels supplémentaires. Avec des
calculs d'intersection entre des rayons et des nouvelles géométries
comme la sphère et le tube, le développeur pourra visualiser des scènes
plus diversifiées. Entre autre, un modèle 3d de type AGP pourra être
visualisé. Afin de se préparer à cette 2e partie, il sera
préférable de compléter le prélaboratoire suggéré.
Laboratoire : Le ray tracer - Partie 3
La 3e partie du laboratoire consiste à introduire le
développeur aux matrices de transformation. Le
développeur devra implémenter des algorithmes d'intersection
entre des rayons et des triangles, visualiser ces triangles regroupés dans des modèles
3d et transformer ceux-ci à l'aide de matrice de transformation.
Finalement, un algorithme d'intersection d'un rayon avec une géométrie dans son espace objet devra être intégré au programme. Aucun prélaboratoire n'est suggéré pour débuter cette 3e partie
de laboratoire.
Retour à la
page d'accueil
Dernière mise à jour
: 2024-03-28
