Voir la source de Ray tracing

{{titre en italique|en}}
[[Fichier:Glass is Liquide.jpg|vignette|upright=1.5|Exemple d'[[image de synthèse]] montrant la réfraction dans cinq milieux différents : dans l'air, dans le liquide bleu, dans le liquide rouge, dans le verre et dans le tube de plastique (les images sont déformées par le changement d'[[indice optique]]).]]

Le '''lancer de rayons'''<ref name="FranceTerme">{{FranceTerme |mot=lancer de rayons |fiche=SPAT1713 |consulté le=16 décembre 2022}}.</ref>{{,}}<ref name="GDT">{{GDT|lancer de rayon|fiche=8363346|consulté le=16 décembre 2022}}</ref>, ou '''lancer de rayon'''<ref name="GDT" />{{,}}<ref>ISO/CÉI 2382-13:1996 ''Technologies de l’information : Vocabulaire : Partie 13 : Infographie'', [[Organisation internationale de normalisation]] (ISO)/[[Commission électrotechnique internationale]] (CÉI), 1996</ref>, également appelé '''''{{Langue|en|ray tracing}}''''', est une technique de calcul d'[[optique]] par [[ordinateur]], utilisée pour le rendu en [[synthèse d'image]] ou pour des études de systèmes optiques<ref>Cette méthode est par exemple utilisée par les logiciels TracePro et Oslo de l’éditeur Lambda Research Corp., voir {{lien web |url=http://www.lambdares.com/tracepro |titre=TracePro features |site=Lambda Research |langue=en }} et {{lien web |url=http://www.lambdares.com/oslo |titre=OSLO |site=Lambda Research |langue=en }}.</ref>. Elle consiste à simuler le parcours inverse de la [[lumière]] : on calcule les éclairages de la caméra vers les objets puis vers les lumières, alors que dans la réalité la lumière va de la scène vers l'œil.

Cette technique reproduit les phénomènes physiques ([[Principe de Fermat#Principe du retour inverse de la lumière|principe du retour inverse de la lumière de Fermat]], [[lois de Snell-Descartes]]) que sont la [[Réflexion optique|réflexion]] et la [[réfraction]]. Une mise en œuvre naïve du ''{{Langue|en|ray tracing}}'' ne peut rendre compte de phénomènes optiques tels que les [[caustique]]s, l'[[illumination globale]] ou encore la [[Dispersion (mécanique ondulatoire)|dispersion lumineuse]] (il faut une approche plus élaborée du ''{{Langue|en|ray tracing}}'', faisant appel à des techniques probabilistes de type [[méthode de Monte-Carlo]], [[Algorithme de Metropolis-Hastings|Metropolis]]<ref>Algorithme de rendu de Metropolis, voir {{lien web |url=http://www-graphics.stanford.edu/papers/metro/ |titre=Metropolis Light Transport |auteur1=[[Eric Veach]] |auteur2=Leonidas J. Guibas |site=Stanford Computer Graphics Laboratory }}.</ref> ou à la [[Radiosité (infographie)|radiosité]] pour résoudre ces problèmes).

En revanche, contrairement à d'autres [[Algorithmique|algorithmes]] de synthèse d'image, elle permet de définir [[Géométrie dans l'espace|mathématiquement]] les objets à représenter et non pas seulement par une multitude de facettes.

== Historique ==
Le ''{{Langue|en|ray tracing}}'' fut présenté pour la première fois par Arthur Appel en 1968<ref>{{Ouvrage |langue=en |auteur1=Arthur Appel |titre=Some techniques for shading machine renderings of solids |pages totales=9 |lire en ligne=http://graphics.stanford.edu/courses/Appel.pdf |sitegraphics.stanford.edu }}.</ref>{{,}}<ref>{{pdf}} {{en}} Doug Jame, [http://www.cs.cornell.edu/courses/cs4620/2009fa/lectures/04raytracing1.pdf « Ray Tracing - S 4620 Lecture 4 »], ''cs.cornell.edu'', automne 2009</ref>.

== Principe ==
=== Description ===
[[Fichier:Ray trace diagram.svg|vignette|redresse=1.2|Schéma présentant le principe du ''ray tracing'' : un [[algorithme]] construit une image en étendant les rayons diffusés sur un objet dans une [[scène 3D]].]]

Cette technique de [[Rendu physique réaliste|rendu]] consiste, pour chaque [[pixel]] de l'image à générer, à lancer un rayon depuis le point de vue (la « caméra ») dans la « [[scène 3D]] ». Le premier point d'impact du rayon sur un objet définit l'objet concerné par le pixel correspondant.

Des rayons sont ensuite lancés depuis le point d'impact en direction de chaque source de lumière pour déterminer sa [[luminosité]] (est-il éclairé ou à l'ombre d'autres objets ?). Cette luminosité, combinée avec les propriétés de la surface<ref>La BRDF, ou [[réflectivité bidirectionnelle]], est la fonction décrivant le comportement d'une surface quand elle réfléchit la lumière en un point.</ref> de l'objet (sa [[couleur]], sa [[rugosité]], etc.), ainsi que d'autres informations éventuelles ([[Angle d'incidence (optique)|angles entre la normale à l'objet et les sources de lumières]], [[Réflexion (optique)|réflexions]], [[Transparence (physique)|transparence]], etc.), déterminent la couleur finale du pixel.

Cette technique fonctionne à rebours des [[Optique géométrique#Propagation de la lumière et notion de rayon lumineux|modèles physiques]] qui, eux, lancent des rayons de lumière depuis les sources lumineuses vers l'œil ou la caméra en passant par les objets, alors que le ''ray tracing'' procède de la caméra vers les sources de lumières. L'expérience montre en effet que cette manière de procéder est nettement plus performante<ref>{{pdf}} Philippe Ris, [http://ph.ris.free.fr/these/Ph.RIS-Chp2Illumination.pdf « Parallélisation du lancer de rayon par évaluation dynamique de la topologie de la scène ; Chapitre II : Les Modèles d'illumination du lancer de rayon »], thèse de doctorat, ''ph.ris.free.fr'', 1996</ref> dans la plupart des cas (par contre, pour résoudre des [[Caustique|caustiques]] par exemple, une méthode directe depuis les sources ou mixte est souvent préférée).

Différentes techniques permettent d'accélérer ce traitement lourd. Dans le cadre d'objets [[Polygone|polygonaux]] (constitués de [[triangle]]s par exemple), dessiner l'objet de façon classique (voir la [[rastérisation]]) permet de déterminer précisément quels pixels seront réellement visibles, et permet de ne lancer de rayons que pour ces pixels limités. Les différentes techniques de [[détermination des surfaces cachées]] permettent de la même manière de minimiser le nombre de rayons à lancer.

Ces calculs préliminaires peuvent être réalisés par un [[Accélération matérielle|processeur dédié]] afin de limiter le traitement à faire par le processeur principal. Le ''ray tracing'' étant très gourmand en [[Analyse vectorielle|calcul vectoriel]], l'utilisation de l'accélération matérielle, conçue pour ce calcul vectoriel (''[[shader]]''), peut grandement aider à optimiser le résultat final.

=== Algorithme de ray tracing récursif ===
[[Fichier:BallsRender.png|vignette|redresse=1|Exemple de rendu avec la méthode de ''ray casting''. On remarque que les reflets et la lumière sont réalistes.]]

Avant 1979, les algorithmes de ''ray tracing'' se contentaient seulement de lancer des rayons puis de déterminer la couleur de l'objet pour chaque rayon sans implémentation récursive. En 1979, {{lien|Turner Whitted}} proposa une approche récursive, c'est-à-dire d'utiliser l'algorithme de ''ray casting'' à partir du point concerné pour calculer sa couleur. Cela offre une meilleure précision physique, notamment pour les reflets<ref>{{Article |langue=en |auteur1={{lien|Turner Whitted}} |titre=An Improved Illumination Model for Shaded Display |périodique=Communications of the ACM |volume=23 |numéro=6 |date=juin 1980 |lire en ligne=https://www.cs.drexel.edu/~deb39/Classes/Papers/p343-whitted.pdf |site=cs.drexel.edu |doi=10.1145/358876.358882 }}.</ref>.

=== Exemple du calcul de l'intersection d'un rayon et d'un triangle ===
[[Fichier:Ray triangle.png|vignette|redresse=1|Intersection d'un rayon et d'un triangle.]]

Un moyen simple et efficace pour calculer l'intersection d'un rayon avec un triangle consiste à calculer les coordonnées du point d'intersection I dans la base <math>(\vec{u},\vec{v},\vec{r})</math>.
Il suffit de résoudre l'équation vectorielle <math>\overrightarrow{OO_t}+I_u\vec{u}+I_v\vec{v}=\overrightarrow{OO_r}+I_r\vec{r}</math>. À l'aide de la [[règle de Cramer]], du [[Géométrie vectorielle#Produit mixte|produit mixte]] et en posant <math>\vec{n}=\vec{u} \wedge \vec{v}, \overrightarrow{O_{tr}} = \overrightarrow{O_tO_r}</math> on obtient :
:<math>
I_r = - \frac{\vec{n}\cdot\vec{O_{tr}}}{\vec{n}\cdot\vec{r}} \ ;
I_u = \frac{\left(\overrightarrow{O_{tr}} \wedge \vec{v}\right)\cdot\vec{r}}{\vec{n}\cdot\vec{r}} \ ;
I_v = \frac{\left(\vec{u} \wedge \overrightarrow{O_{tr}}\right)\cdot\vec{r}}{\vec{n}\cdot\vec{r}}
</math><br /><br />
Il suffit ensuite de vérifier que <math>0 \leq I_u \leq 1 \ ,0 \leq I_v \leq 1 \ ,I_r \geq 0 \ ,I_u+I_v \leq 1</math>.

Il est très simple d'étendre cette méthode à des rectangles et même à des polygones grâce au [[théorème de Jordan]]<ref>{{en}} Octavian Cismasu, [http://cgm.cs.mcgill.ca/~godfried/teaching/cg-projects/97/Octavian/compgeom.html ''{{Langue|en|The Jordan Curve Theorem for Polygons}}''], [[Université McGill]], automne 1997</ref>.

== Années 2000 à 2020 : promesses et réalités ==
[[Fichier:Glasses 800 edit.png|vignette|redresse=1.2|Les images générées avec le ''ray tracing'' peuvent donner des résultats réalistes.]]
[[Fichier:Alexclass.jpg|vignette|redresse=1.2|Image générée avec ce procédé. Le rendu de la luminosité est proche de celui d'une image réelle.]]

Avec la généralisation des [[Microprocesseur multi cœur|processeurs multi-cœurs]] et de l'utilisation de [[Bibliothèque logicielle|bibliothèques logicielles]] mettant en œuvre cette technologie comme [[OpenMP]], [[OpenCL]], [[Compute Unified Device Architecture|CUDA]] ou [[Vulkan (API)|Vulkan]], l'[[algorithme]] du ''ray tracing'' voit ses possibilités étendues. En effet, cet algorithme se prête particulièrement bien au [[Calcul parallèle|parallélisme]], chaque point de l'image pouvant être calculé indépendamment des autres. L'immense majorité des logiciels de création graphique basés sur le ''ray tracing'' utilisent une [[Mise en œuvre|implémentation]] ''[[Processus léger|multithread]]'', permettant la prise en charge des processeurs multi-cœurs.

Avec l'apparition de [[chipsets]] graphiques multi-cœurs programmables ([[General-Purpose Processing on Graphics Processing Units|GPGPU]]) et des langages de programmation associés (OpenCL ou CUDA par exemple), et avec des moteurs comme [[LuxRender]] ([[open source]]), [[Iray]] et [[OptiX]]<ref>{{Article |langue=en |auteur1=Steven G. Parker |auteur2=James Bigler |auteur3=Andreas Dietrich |auteur4=Heiko Friedrich |titre=OptiX: A General Purpose Ray Tracing Engine |périodique=ACM SIGGRAPH 2010 Papers |série=SIGGRAPH '10 |éditeur=ACM |date=2010-01-01 |isbn=9781450302104 |doi=10.1145/1833349.1778803 |lire en ligne=http://doi.acm.org/10.1145/1833349.1778803 |pages=66:1–66:13 }}.</ref> de [[Nvidia|NVIDIA]], la bibliothèque Embree<ref>{{lien web |langue=en |auteur=Manfred Ernst |titre=Embree - Photo-Realistic Ray Tracing KernelsIntel Lambree |url=http://software.intel.com/en-us/articles/embree-photo-realistic-ray-tracing-kernels/  |site=Intel Developer Zone }}, Programmes OpenCL pour le lancer de rayon.</ref> de [[Intel]] ou encore Firerays<ref>{{lien web |langue=en |titre=FireRays - GPUOpen |url=http://gpuopen.com/gaming-product/fire-rays/ |site=gpuopen.com |éditeur=[[GPUOpen]] |consulté le=2016-06-22 }}</ref> d'[[Advanced Micro Devices|AMD]], le ''ray tracing'' prend de plus en plus d'importance dans les applications de [[synthèse d'image]] en temps réel.

Le ''ray tracing'' permet la génération d'images très réalistes, mais peut requérir en contrepartie un temps de calcul très important, en fonction de la complexité de la scène 3D à produire. Jusqu'en 2001, la puissance des ordinateurs ne permettait pas le calcul d'images en temps réel. Depuis, sous certaines conditions, de nombreuses optimisations de l'algorithme permettent un rendu en temps interactif (quelques [[images par seconde]]), voire réellement fluide (au-delà de 25 images par seconde).

L'utilisation d'architectures massivement parallèles dédiées telles que les [[Processeur graphique|processeurs graphiques]] ou les [[Carte accélératrice|cartes accélératrice]] comme le [[Intel MIC|MIC]] d'Intel, que ce soit par le biais d'outils dédiés ou par l'utilisation de [[Framework|structures logicielles]] telles que CUDA, OpenCL ou OpenMP, améliore grandement les performances des outils de rendu par ''ray tracing'' et tend à en démocratiser l'usage ([[Blender]] propose notamment la possibilité de déporter des opérations de rendu par ''ray tracing'' sur GPU à l'aide de la bibliothèque Luxrays<ref>{{Lien web |langue=en |titre=LuxRays - LuxRender Wiki |url=http://www.luxrender.net/wiki/LuxRays |site=luxrender.net |consulté le=2016-06-22 }}</ref>).

Dans les années 2010, des jeux commerciaux à large diffusion utilisant cette technique sont prévus<ref>{{Lien web |langue=en |auteur1=Otoy |url=https://evermotion.org/articles/show/8621/brigade-3-0-real-time-path-tracing |titre=Brigade 3.0 - real-time path tracing |date=3 avril 2014 |site=evermotion.org |consulté le=21 avril 2023 }}</ref>{{,}}<ref>{{lien web |langue=en |auteur=Jacco Bikker |titre=Arauna2 announcement video |url=http://ompf2.com/viewtopic.php?f=5&t=1887 |date=11 novembre 2013 |site=ompf2.com }}.</ref>.

Ces méthodes informatiques pour la prédiction d'images trouvent aussi depuis les années 1990 leurs homologues dans divers domaines, en particulier la prédiction de la propagation d'[[onde sonore|ondes sonores]] ou de [[micro-onde]]s ([[téléphonie mobile]]) dans les milieux complexes. Le modèle physique sous-jacent aux algorithmes de ''ray tracing'' (le [[principe de Fermat]]) est en effet commun à l'[[optique]] et l'[[acoustique]], à quelques raffinements près, liés aux [[onde|longueurs d'onde]] manipulées (phénomène de [[diffraction]] notamment).

Les [[Consoles de jeux vidéo de neuvième génération|consoles de jeu de neuvième génération]] le feront en temps réel<ref>{{Lien web |langue=fr-FR |auteur1=Bruno Mathieu |titre=La PlayStation 5 aura des jeux en ray tracing, mais seront-ils vraiment plus beaux ?|url=https://www.phonandroid.com/playstation-5-jeux-raytracing.html |site=PhonAndroid |date=2019-10-08 |consulté le=2020-05-13 }}</ref>.

== Le début de l’utilisation du ray tracing ==

Le ''ray tracing'' est présenté la première fois en 1968 par Arthur Appel, mais il fait réellement son apparition en 1986. Il est d’abord utilisé pour la réalisation de films de grandes maisons d'animation tels que [[DreamWorks Animation|DreamWorks]] ou encore [[Pixar Animation Studios|Pixar]]. L’accomplissement de cette technique expérimentale ne fut utilisé que partiellement car cette méthode est trop onéreuse<ref>{{Lien web |titre=Dossier : tout savoir sur le Ray Tracing, l'éblouissante technologie mise en avant par Nvidia |url=https://hitek.fr/actualite/dossier-tout-savoir-ray-tracing_17175 |site=hitek.fr |date=2018-08-30 |consulté le=2021-05-20 }}</ref>. En 2006, Pixar décide de promouvoir ce procédé pour la réalisation du film [[Cars (film)|''Cars'']] car cette simulation de la lumière en temps réel permet de rajouter du réalisme au projet, notamment pour la réflexion de la lumière sur la carrosserie, pour les ombres, ainsi que pour [[Occlusion ambiante|l'occlusion ambiante]]. Cela a permis de démocratiser cette technique aux yeux des maisons de production de films<ref>{{Lien web |langue=en |auteur1=Per H. Christensen |auteur2=Julian Fong |auteur3=David M. Laur |auteur4=Dana Batali |titre=Ray Tracing for the Movie ‘Cars’ |url=https://graphics.pixar.com/library/RayTracingCars/paper.pdf |consulté le=29 avril 2020 }}</ref>.

Cette méthode n’apparait dans le monde du [[jeu vidéo]] que le 23 août 2018<ref>{{Lien web |langue=fr-FR |titre=Battlefield V: Official GeForce RTX Real-Time Ray Tracing Demo |url=https://www.youtube.com/watch?v=WoQr0k2IA9A |consulté le=2021-05-20 }}</ref> lors de la conférence d’un grand constructeur de [[Carte graphique|cartes graphiques]]. Lors de cette conférence, [[Nvidia|NVIDIA]] présente cette nouvelle manière qui permet d’améliorer le réalisme : la réflexion des flammes, le reflet des miroirs… Ce qui n’était que de vastes calculs permettant une représentation abstraite du reflet des matières tels que le verre, le métal ou encore l’eau est maintenant un véritable [[algorithme]] qui permet une représentation bien plus fidèle. Le seul bémol à l’utilisation de ce procédé, ce sont les ressources qu’il utilise. En effet, le calcul de la trajectoire de la lumière a un coût, les ressources devant être allouées aux calculs. Pour les consoles utilisant le ''ray tracing,'' la perte du nombre d’images par seconde dépend de nombreux facteurs (le jeu, la qualité des graphismes, la qualité du ''ray tracing'', les composants de l’ordinateur …). Les tests de comparaisons<ref>{{Lien web |langue=fr-be |titre=Technologie NVIDIA DLSS pour des performances exceptionnelles |url=https://www.nvidia.com/fr-be/geforce/technologies/dlss/ |site=NVIDIA |consulté le=2021-05-20 }}</ref>sont nombreux. Pour une définition [[Full HD]], la perte du nombre d’images par seconde pour un jeu tel que [[Control (jeu vidéo)|''Control'']] est de 20%<ref>{{Lien web |langue=en-GB |nom=eTeknix.com |titre=Control Ray Tracing Performance – How to Get Your RTX ON |url=https://www.eteknix.com/control-ray-tracing-performance-how-to-get-your-rtx-on/ |site=eTeknix |date=2019-10-24 |consulté le=2021-05-20 }}</ref>, ce qui peut donc nuire à sa fluidité. Une solution est d'utiliser [[Intelligence artificielle|l’intelligence artificielle]], qui permet une qualité d'image similaire tout en réduisant la définition, c'est la technologie [[Deep learning super sampling|DLSS]] chez Nvidia et FSR chez AMD (bien que la technologie FSR ne soit pas basée sur de l'intelligence artificielle ''ou du deep learning, elle upscale l'image de manière "intelligente"'' <ref name=":0">{{Lien web |langue=fr |titre=AMD FidelityFX Super Resolution : des gains de performance, mais en échange de quels compromis visuels ? |url=https://www.lesnumeriques.com/carte-graphique/amd-fidelityfx-super-resolution-des-gains-de-performance-mais-en-echange-de-quels-compromis-visuels-a165819.html |site=www.lesnumeriques.com |consulté le=2022-11-02 }}</ref>).

== Notes et références ==
{{Références|taille=30}}

== Voir aussi ==
=== Articles connexes ===
{{colonnes|taille=30|
* [[Photon mapping]]
* [[Algorithme d'intersection de Möller-Trumbore]]
* [[POV-Ray]] : un logiciel de ''{{Langue|en|ray tracing}}'' libre et [[gratuiciel|gratuit]]. La version 3.7 est multi-cœur.
* [[YafaRay]] : un logiciel de ''{{Langue|en|ray tracing}}'' [[logiciel libre|libre]].
* [[Rayon (optique)|Rayon]]
* [[Mental Ray]] : moteur de rendu fondé sur le ''{{Langue|en|ray tracing}}''.
* [[Arnold (moteur de rendu)|Arnold]] : moteur de rendu fondé sur le ''{{Langue|en|ray tracing}}''.
* [[LuxRender]] : moteur de rendu fondé sur le ''{{Langue|en|ray tracing}}'' (non biaisé). Il existe une version OpenCL de ce moteur.
* [[Art of Illusion]] : logiciel libre de modélisation et de rendu développé en Java.
}}

=== Liens externes ===
* {{en}} [http://www.kge.msu.ru/workgroups/compcenter/dmitri/projects/polyworld/index.htm PolyWorld] un bench accéléré 3D de RayTracing Temps réel.
{{Liens}}

{{Portail|imagerie numérique}}

[[Catégorie:Algorithme d'illumination globale]]