Moteur 3D

Schéma d’un pipeline de rendu avec indication du lieu d'intervention des pixels et des vertex shaders (en rouge).

Un moteur 3D est un composant logiciel qui crée des images matricielles à partir de coordonnées tridimensionnelles. C'est un composant fréquent des moteurs de jeu.

La plupart du temps, le moteur 3D est indissociable du reste du moteur de jeu, comme le moteur physique ou le moteur de son par exemple. Néanmoins certains moteurs 3D fonctionnent tout seuls, ils fournissent alors un ensemble de fonctions permettant à leur utilisateur de l'intégrer aux autres moteurs.

L'opération d'affichage est appelée le rendu.

Méthodes de rendu

Il existe plusieurs procédés de rendu 3D (procédés de calculs destinés à obtenir une image matricielle en deux dimensions). Les procédés les plus communs sont le ray tracing et la rastérisation.

La rastérisation est le procédé le plus utilisé pour les jeux vidéo. Le peu de temps nécessaire pour calculer une image selon ce procédé permet d'obtenir en continu des images à un rythme suffisamment élevé pour faire du temps réel (jeux video).

Le ray tracing permet d'obtenir une image d'une qualité supérieure à celle de la rastérisation (voir photoréalisme). Les calculs complexes effectuées dans ce procédé nécessitent beaucoup de temps et de puissance de calcul et ne permettaient pas, jusqu'à peu, d'obtenir une image dans un délai suffisamment court pour être utilisé dans un jeu vidéo, mais des progrès sont en cours. Le ray tracing est utilisé pour réaliser des images fixes et des films d'animation.

L'accélération matérielle consiste à utiliser dans la mesure du possible le processeur graphique - souvent inclus dans la carte graphique - pour effectuer les calculs. Le but est de gagner du temps en libérant le processeur central pour d'autres tâches telles que l'arbitrage du jeu, les calculs du moteur physique et du moteur de son, l'intelligence artificielle, etc. Afin de profiter de l'accélération matérielle, les moteurs 3D font souvent usage des possibilités de bas niveau des bibliothèques logicielles telles que DirectX ou OpenGL.

Avec le lancement de la technologie Larrabee, le développement du parallélisme, et plus généralement l'augmentation de la vitesse des processeurs graphiques, certaines personnes pensent que le ray tracing pourra dans le futur être utilisé pour faire du rendu temps réel.

Ray-tracing

Le procédé de lancer de rayon (anglais ray tracing) consiste à calculer le chemin parcouru par le rayon de lumière correspondant à chaque pixel de l'image. Le moteur 3D calcule le chemin en le parcourant en sens inverse en suivant les règles de la physique telle que la réflexion et la réfraction. Il effectue différents calculs d'optique géométrique.

Comme le calcul de couleur est répété une fois par pixel, cette technique peut tirer grandement parti du parallélisme.

Rastérisation

La rastérisation ou rendu de polygones est un procédé où les objets sont représentés sous forme de triangles auquel la carte graphique fait subir différentes transformations géométriques afin de les projeter sur l'écran.

Une fois les coordonnées 2D des triangles connues, la carte transforme ceux-ci en un ensemble de pixels, puis calcule la couleur de chaque pixel individuellement.

Lorsque la rastérisation est effectuée par la carte graphique, l'utilisation de shaders permet de modifier les différentes étapes du rendu, dans le but d'ajouter des effets graphiques personnalisés.

Histoire

D’après certaines recherches universitaires, il apparait que les mathématique de base des moteurs 3D et notamment temps réel soit apparue très légèrement avant l’accélération matérielle. La clé aurait été découverte par un jeune étudiant dans le cadre de recherches bénévoles. Cette clé est la rotation absolue en espace fermé (les autres transformations étant simples ou mineures). La rotation absolue en espace fermé est la composition et le réarrangement des équations de rotation du plan en équations linéaires, ce qui permit ainsi de programmer ces équations (la grande majorité des langages de programmation étant linéaires). Cette avancée majeur permit de créer un moteur 3D temps réel entièrement logiciel qui, en termes d'images par secondes, dépasse très largement la persistance rétinienne. Il fallut plusieurs années à la communauté scientifique de l'époque pour arriver à comprendre cette clé mathématique sans son créateur qui, sans le savoir, avait créé la base de l'immense majorité des moteurs 3D temps réel, y compris contemporains.

Depuis 1996, les moteurs 3D grand public ont commencé à tirer profit des fonctionnalités des nouvelles puces graphiques capables d'effectuer certains calculs nécessaires à l’affichage 3D, tandis qu’Intel lançait ses premiers processeurs équipés du jeu d’instructions MMX, destiné à améliorer les performance des PC en matière de multiplication de matrices. De nos jours, MMX et 3DNow! (l'équivalent de MMX chez AMD) ont été remplacés par SSE sur tous les processeurs modernes.

Certains moteurs graphiques, comme le CryEngine 2 utilisé dans Crysis, s'approchent aujourd'hui du photoréalisme.

Valeur ajoutée d'un moteur 3D

Si les APIs de bas niveau permettent de dessiner des objets à l'écran, celles-ci restent assez complexes. Pour un développeur de jeux, il est ainsi préférable d'utiliser un moteur 3D qui lui permettra d'obtenir beaucoup plus facilement le rendu qu'il désire.

Pour cela le moteur fournit notamment des fonctions permettant de charger des fichiers dans différents formats, d'animer les modèles en fournissant uniquement le nom de l'animation et ainsi de suite, son but étant de simplifier au maximum le travail du concepteur du jeu.

Optimisation

Bien que les processeurs graphiques soient de nos jours très puissants, les jeux vidéo tentent en permanence de repousser leurs limites. L'optimisation est d'autant plus nécessaire sur PC où de nombreux joueurs potentiels ne possèdent pas de carte graphique dernier cri.

L'optimisation dépend beaucoup du type de jeu. Par exemple :

• l'utilisation d'octrees (en extérieur) ou d'arbres BSP (en intérieur)
• pour les jeux affichant de très nombreuses unités (exemple : la série Total War), l'utilisation de modèles 3D simplifiés pour les objets éloignés de la caméra

Utilisation d'effets

Si les techniques de rendu offrent de nombreuses possibilités, c'est le rôle du moteur 3D d'exploiter ces possibilités afin de créer des effets graphiques.

Cela inclut :

• Skybox, technique d'affichage du ciel
• Ombres portées
• Billboards notamment pour les particules
• Bump mapping
• Reflets sur une surface ou dans un miroir

Voir l'article rastérisation pour des détails sur la mise en œuvre de ces effets.

Quelques moteurs 3D

• Twinmotion

• Havok
• NOVA 2010
• Id Tech 5
• NX Engine
• Crystal Space
• Hero Engine
• Irrlicht
• OGRE
• Quest3D
• Unity3D
• Revolution3D
• Truevision3D
• CryEngine
• Frostbite Engine
• UnrealEngine
• Source Engine
• Unigine
• redway3D
• NSRE GX
• Anvil
• Dunia Engine
• JMonkeyEngine
• Frosbite 2

Voir aussi

• Liste de bibliothèques 3D
• Moteur de rendu 3D
• Moteur de jeu
• GPU

Liens externes

• (fr) Tutoriels sur le développement de jeux avec un moteur 3D
• (en) Base de données contenant un grand nombre de moteurs et leurs spécification
• (fr) Tutoriel pour la création du moteur 3D du jeu Wolfeinstein 3D