Les animateurs ne travaillent pas toujours avec le niveau de détail le plus élevé.
C’est un peu comme regarder des vidéos YouTube : parfois, vous privilégiez la vitesse de chargement et une résolution réduite à la qualité minimale qui reste visionnable. D’autres fois, vous voulez profiter de l’expérience cinématographique complète et optez pour une résolution 4K.
De la même manière, les animateurs ajustent les niveaux de détail (LOD) pour équilibrer la fidélité visuelle et l’efficacité des performances. Pour affiner le timing d’une scène, les modèles très détaillés ne sont pas nécessaires. Mais en post-production, il est essentiel de s’assurer que le rendu final respecte des standards de qualité.
Dans cet article, nous explorons l’importance du LOD, comment il optimise la production sans sacrifier la qualité, ainsi que des techniques clés comme le bump mapping, la retopology, le texture baking et le displacement map baking.
Qu’est-ce que le LOD ?
En animation, le niveau de détail (LOD) définit les degrés de complexité appliqués à des modèles ou à des scènes, en particulier lorsque les objets sont observés à différentes distances par un spectateur ou une caméra.
Quand un objet est loin de la caméra, il n’est pas nécessaire de rendre tous ses détails fins avec une haute précision géométrique : on utilise alors des modèles avec un LOD plus faible, avec moins de polygones. Un arbre au premier plan peut avoir des feuilles et des branches détaillées, tandis qu’un arbre distant peut n’être qu’une forme simple avec des textures, afin d’économiser de la puissance de calcul.
Pourquoi les niveaux de détail comptent
Le LOD permet aux animateurs et aux artistes du rendu d’optimiser les ressources de calcul : les objets éloignés peuvent être rendus avec moins de détails sans perte notable de qualité visuelle, ce qui réduit la charge du processeur. Si votre film d’animation dure une heure, vous devez rendre 108 000 images à 30 images par seconde : ces optimisations de calcul s’additionnent donc rapidement.
Différents niveaux de détail signifient aussi que seule la quantité nécessaire de polygones ou de textures est traitée, ce qui permet d’économiser de la mémoire de stockage.
C’est particulièrement crucial pour le rendu en temps réel, où vous devez maintenir de hauts taux d’images sans alourdir inutilement le PC de l’animateur, mais c’est aussi important, à l’échelle de tout le pipeline de production, pour réduire les coûts de rendu.
1. Bump Mapping
Le bump mapping est une technique de l’infographie qui simule des reliefs et des rides à la surface d’un objet afin de créer l’illusion de textures complexes, sans augmenter la complexité géométrique du modèle avec des polygones supplémentaires.
Le bump mapping fonctionne en modifiant l’apparence de la texture de surface en manipulant les calculs d’éclairage pendant le rendu, plutôt qu’en modifiant la géométrie réelle. Pour cela, on utilise une texture appelée bump map, généralement une image en niveaux de gris où l’intensité de la couleur représente la hauteur du relief.
Traditionnellement, modéliser chaque brique d’un mur avec ses détails de surface uniques exigerait un maillage dense, avec chaque bosse et chaque creux capturés par des polygones additionnels : cela peut être coûteux en calcul.
Au lieu de cela, vous pouvez simplement créer une bump map où les zones plus claires indiquent les parties surélevées de la texture de brique, tandis que les zones plus foncées correspondent à des parties plus profondes comme les lignes de mortier. Une fois appliquée à un plan simple, avec un nombre minimal de polygones, le moteur de rendu utilise cette bump map lors des calculs d’ombrage pour perturber les normales de surface. L’interaction entre la lumière et l’ombre sur ces normales modifiées donne au spectateur l’illusion que le plan plat possède toute la géométrie complexe d’un vrai mur de briques.
2. Retopology
La retopology est un processus en modélisation 3D dans lequel la topologie — c’est-à-dire la structure de la surface du mesh — est redéfinie afin d’obtenir un meilleur flux de géométrie et de réduire le nombre de polygones tout en préservant la forme et les détails d’origine du modèle.
Imaginez que vous partiez d’un modèle de personnage très détaillé créé à l’aide d’un logiciel de sculpture comme ZBrush. Ce modèle peut contenir des millions de polygones qui capturent chaque détail complexe. Le processus de retopology se déroule ainsi :
- Simplification - Le logiciel crée un nouveau mesh par-dessus le modèle high-poly grâce à des techniques de retopology (automatique, comme ZBrush ZRemesher, ou manuelle pour des modifications plus précises) afin de définir une structure de polygones plus facile à gérer, tout en capturant les formes essentielles du personnage.
- Utilisation du flow - L’outil prend en compte des edge loops autour des éléments anatomiques importants, comme les yeux, la bouche et les articulations, afin d’aider les déformations pour l’animation (flexion et étirement).
- Réduction des polygones - La nouvelle topologie doit contenir nettement moins de polygones.
La retopology est importante pour créer des structures de mesh propres et efficaces. Elle est particulièrement utile pour créer plusieurs versions du modèle du personnage, correspondant à différents niveaux de détail :
- LOD0 - La version la plus détaillée est utilisée lorsque le personnage est proche de la caméra.
- LOD1 - Une version moins détaillée pour les plans au milieu de la distance.
- LOD2 et au-delà - Des versions encore plus simples pour les plans éloignés.
- Pondération des sommets - Les versions avec moins de détails conservent la forme essentielle et la silhouette, mais utilisent une géométrie minimale pour optimiser les performances de rendu.
3. Texture Baking
Le texture baking pré-calcule et transfère divers détails de surface ainsi que des informations d’éclairage vers une texture. Ces textures “baked” incluent des ombres, des reflets, l’illumination globale, l’occlusion ambiante ou des propriétés de matériaux complexes, qui sont coûteuses à calculer en temps réel. Une fois “baked”, ces données sont appliquées à des versions plus simples des modèles 3D pour optimiser les performances sans sacrifier la qualité.
Grâce au baking des textures, l’artiste garantit une cohérence visuelle entre différents niveaux de détail : des éléments comme l’emplacement des ombres et les détails de surface peuvent être préservés même avec une complexité géométrique réduite. Les LOD plus faibles demandent moins de puissance de calcul pour le rendu, ce qui permet d’utiliser des techniques d’ombrage plus simples.
Un modèle 3D complexe d’un bâtiment qui fera partie d’une grande scène urbaine dans une application temps réel possède une géométrie très détaillée et des matériaux complexes avec des bump maps et des surfaces réfléchissantes : cela peut être rendu magnifiquement dans des rendus haut de gamme, mais c’est trop exigeant en ressources pour le rendu temps réel pendant la production :
- Préparation des modèles haute et basse résolution - On commence avec une version haute résolution du modèle du bâtiment, sur laquelle les effets d’éclairage et de matériaux sont appliqués avec minutie.
- Processus de baking - À l’aide d’un logiciel DCC 3D, on “bake” l’information d’éclairage du modèle dans une texture — ombres, hautes lumières et tout effet d’occlusion ambiante — sous forme d’une texture 2D. Vous “bakez” généralement plusieurs cartes, comme les cartes diffuse, normal et specular.
- Créer des modèles LOD - On génère plusieurs versions à plus faible résolution du modèle du bâtiment, avec moins de sommets et une géométrie simplifiée.
- Appliquer les textures baked - Les artistes appliquent ces textures baked à ces modèles LOD. Même si le nombre de sommets est réduit, les textures baked transmettent des détails complexes et des effets d’éclairage, ce qui conserve une qualité visuelle élevée.
- Mise en œuvre - Dans l’environnement temps réel, le système LOD choisit quelle version du modèle rendre en fonction de la distance caméra ou de la taille en espace écran. Les textures pré-baked garantissent que même le modèle le plus simple conserve une grande partie de la complexité visuelle de l’asset haute résolution.
4. Displacement Map Baking
Le displacement map baking transfère les détails haute résolution d’un modèle 3D vers une version à plus faible résolution. Cela passe aussi par la génération d’une texture, la displacement map, qui enregistre les différences de hauteur entre la surface du modèle basse résolution et celle du modèle haute résolution. Cette texture peut ensuite être utilisée pour recréer l’apparence du modèle haute résolution pendant le rendu, sans avoir à charger toute la complexité en permanence.
- Créer des modèles haute et basse résolution - On part d’un modèle 3D haute résolution qui possède tous les détails finement sculptés comme les bosses, les plis et d’autres détails de surface. Ensuite, on crée une version simplifiée de ce modèle, avec un nombre de polygones réduit.
- V bakage de la displacement map - À l’aide de logiciels comme ZBrush, Blender ou Maya, on calcule la différence entre les surfaces des deux modèles. Le résultat est la displacement map : une texture en niveaux de gris dont l’intensité indique de combien il faut déplacer la surface du modèle basse résolution pour correspondre aux détails du modèle haute résolution.
- Appliquer la carte au modèle basse résolution - Une fois la carte “baked”, elle est appliquée au modèle basse résolution. Le moteur de rendu utilisera les informations de la carte pour simuler la surface très détaillée pendant le rendu temps réel ou la lecture de l’animation.
- Mise en œuvre du LOD - On ajoute le modèle low-res avec la displacement map dans un système LOD, qui échange différents niveaux de détail selon la distance caméra. Lorsque le modèle est suffisamment éloigné, le modèle basse résolution apparaît aussi détaillé que le modèle haute résolution grâce à la displacement map, ce qui permet d’économiser de la puissance de calcul.
Les displacement maps permettent à différentes versions de LOD d’un même décor de partager des détails haute résolution sans surcoût de calcul, ce qui économise de la mémoire et simplifie la gestion des assets.
Conclusion
Le niveau de détail est un concept important en animation : il permet d’augmenter l’efficacité de votre pipeline en ajustant la complexité de vos modèles 3D selon des paramètres comme la distance à la caméra ou les environnements de production.
Plusieurs techniques comme le bump mapping, la retopology, le texture baking et le displacement map baking permettent aux animateurs d’adapter le LOD de leur modèle, mais il en existe d’autres, et notre article ne fait qu’en donner un aperçu : vous devrez découvrir par vous-même comment les utiliser au mieux dans votre outil DCC. Essayez ces techniques dans votre logiciel et observez comment elles influencent les polygones et la qualité visuelle de vos modèles 3D !
