Numériser et reproduire le monde des matériaux

Est-il possible de reproduire numériquement le scintillement de la soie, les couleurs des ailes de papillons ou la structure d’un tissu ? Wenzel Jakob et son groupe de recherche du Laboratoire d'informatique graphique réaliste de l’EPFL en collaboration avec Unity Technologies à Grenoble, développent des modèles mathématiques qui permettent de s’approcher au plus près de la réalité en infographie. La fidélité des simulations passe par la numérisation scrupuleuse et systématique de tous les matériaux en utilisant une machine impressionnante et sophistiquée appelée gonio-photomètre.

« Imaginez que vous preniez une photo d'une voiture par une journée ensoleillée : la photo ne capturera son apparence que pour ce point de vue et cet éclairage spécifiques, mais elle ne peut pas nous dire comment la même voiture ressemblerait sous un autre point de vue plus tard dans la soirée, » explique le chercheur. Contrairement à l’appareil photo, un goniophotomètre va mesurer la lumière réfléchie par un matériau sous différents angles, et capturer l’essence de ce qui donne à la surface peinte de la voiture son aspect particulier, brillant, nacré, métallique. Un résultat bien plus riche qu'une seule photo et qui peut être utilisé pour générer des images informatiques « photo-réalistes » d'objets fabriqués à partir de ces mêmes matériaux dans des scènes virtuelles.


Numériser une aile de papillon © 2019 EPFL Alain Herzog

L'équipe du Laboratoire d'informatique graphique réaliste étudie la manière dont la lumière interagit avec divers matériaux afin que ce processus puisse être reproduit dans une simulation. « Notre objectif est de constituer une bibliothèque très complète de matériaux, non seulement pour les recréer, mais également pour comprendre mathématiquement ce qui les rend si différents en apparence », explique Jakob Wenzel. De la feuille de papier au morceau de plastique en passant par un échantillon d’un stylo à une aile de papillon, les chercheurs font feu de tout bois. Ils ont même numérisé un morceau de tissu d'un costume de Dark Vador. « Ce type de données matérielles est inestimable dans des domaines tels que l'architecture, la vision par ordinateur ou l'industrie du divertissement. Nous avons récemment commencé à travailler avec Weta Digital et Industrial Light & Magic, qui produisent des films comme Avatar et Star Wars. » Un projet mené en collaboration avec les développeurs du célèbre moteur de jeu Unity 3D.

Créer des images plus vraies que nature


Wenzel Jakob utilise un photo-goniomètre © 2019 EPFL Alain Herzog

La prise de mesure se fait avec un gonio-photomètre. Cet appareil très impressionnant, d’environ 5 mètres de long, est installé dans une pièce dont les murs ont été recouverts de tissus noirs afin d’absorber la lumière réfléchie par l’échantillon. Le gonio-photomètre éclaire et observe l’échantillon présenté verticalement, grâce à son bras robotisé qui se déplace à 3 mètres / seconde dans toutes les directions. La pointe du bras robotisé contient un spectromètre qui observe la lumière réfléchie. « Une caméra conventionnelle enregistre uniquement des informations de couleur rouge, verte et bleue qui sont également visibles à l'œil humain. Un spectromètre capture des centaines de longueurs d'onde dans tout le spectre visuel, allant même des UV aux infrarouges. Cette richesse de données nous fournit beaucoup plus d'informations sur un matériau et nous permet de le simuler plus fidèlement », conclut Jakob Wenzel.

L'objectif principal de ce travail est d'améliorer la précision et la fidélité des simulations de transport de la lumière en infographie, et de rendre les modèles mathématiques suffisamment précis et rapides pour des applications professionnelles. Les recherches du Laboratoire visent à acquérir les matériaux beaucoup plus rapidement qu’il n’était possible jusque-là, en utilisant un algorithme qui prend le contrôle total du goniophotomètre pour ne capturer qu’un petit sous-ensemble d’un espace quadridimensionnel. Le groupe Jakob développe également «Mitsuba», une plate-forme open source qui peut utiliser les données acquises pour simuler la lumière de manière digitale afin de créer des images photo réalistes de mondes virtuels.

Ce 29 juillet, Jakob Wenzel reçoit le prix du nouveau chercheur d’ACM SIGGRAPH. Il a été sélectionné pour ses contributions théoriques et algorithmiques au domaine, ainsi que pour son travail dans le développement de logiciels open source pour la recherche.

Jakob Wenzel a reçu le prix SIGGRAPH 2019 © Dina Douglass

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Wenzel Jakob directeur du Laboratoire d'informatique graphique réaliste
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