1 Université Paris 8 Master Création Numérique parcours : Arts et Technologies

1 Université Paris 8 Master Création Numérique parcours : Arts et Technologies de l'Image Virtuelle Création et développement d’outils de rendu pour l’expression artistique en animation 3D temps-réel Sophia Mouajjah Mémoire de Master 2 2018 - 2019 2 3 « L’expression recrée et métamorphose » Maurice Merleau-Ponty 4 5 Résumé Alors que la recherche du photoréalisme en images de synthèse revêt une place importante au sein du champ de développement technologique et technique actuel, d’autres manières d’utiliser et d’exploiter les possibilités permises par le rendu 3D pour le film restent encore à explorer. L’enjeu de mes recherches sera ainsi d’expérimenter et de développer différentes techniques de rendu dit « expressif » en animation temps-réel afin de permettre aux artistes de s’approprier plus librement le médium numérique et de transmettre le plus intuitivement possible leur subjectivité. Pour mettre à bien ces outils, il s’agira d’abord de s’interroger sur les divers procédés mis en œuvre par les artistes au cours de l’histoire via l’emploi des médias traditionnels pour exprimer une vision ou une émotion singulière. Nous étudierons notamment comment les effets de matière, de couleur et de lumière sont régulièrement employés par les peintres pour inventer et développer un style visuel propre. On posera ensuite la question de la spécificité du médium numérique, en particulier dans le domaine du temps-réel, dans le but d’exploiter au mieux les possibilités offertes par celui-ci. Nous tenterons ainsi de produire de nouveaux outils utilisables pour l’animation 3D temps-réel afin donner un maximum de libertés aux artistes pour qu’ils puissent faire passer un message ou une émotion de manière efficace. Abstract While the research of photorealism in computer graphics takes an important place in the actual technical and technological development field, there are other ways of using and taking advantages of the possibilities offered by 3D rendering for movies that are still waiting to be investigated. The main issue of these studies will be to experiment and develop various expressive render technics destined to realtime animation in order to allow the artists to appropriate the digital medium in a more freely way and to convey their subjectivity as intuitively as possible. To implement those tools, I will firstly question the various processes undertaken by artists throughout history by the use of traditionnal medias to express a vision or a singular emotion. In particular, we will study the way material, color and light effects are regularly used by painters to invent and develop their new proper visual styles. Next, we will raise the question of the specificity of the digital medium, more particularly in the field of realtime rendering, in order to make the best use of the possibilities it can offer. Thus, we will try to implement tools that can be used for realtime 3D animation in order to provide maximum freedom to artists so that they will be able to express an emotion or a message in an efficient way. 6 Remerciements A ma famille pour tout son soutien, A Gaëtan Henry pour son merveilleux travail lors du projet intensif, A Chu-Yin Chen pour son suivi et ses précieux conseils, A l’ensemble de l’équipe ATI pour l’enseignement et les nombreuses connaissances qui m’ont été transmises 7 Table des matières Introduction ......................................................................................................................................... 11 I. Etude des procédés expressifs employés par les artistes à l’aide des médias traditionnels et numériques .......................................................................................................................................... 13 1. L’expression artistique : une forme de communication particulière ............................................ 13 1.1 Au delà de la représentation : l’expression comme prise de conscience et clarification de l’émotion ...................................................................................................................................... 14 1.1.1 Expression et représentation ........................................................................................... 14 1.1.2 Remise en ordre, prise de conscience et clarification ...................................................... 15 1.1.3 Le rôle de l'intuition ......................................................................................................... 16 1.2 L’expression artistique peut être vue comme une forme de langage .................................... 17 1.2.1 L’importance de l’appropriation et de l'interprétation dans le domaine de l’expression 17 1.2.2 L’utilisation des signes et des symboles pour exprimer ................................................... 18 1.2.3 La particularité de l’expression artistique comme moyen de communication ................ 19 1.3 L’importance de l’expérience et la place du corps comme interface dans le processus d’expression artistique ................................................................................................................. 20 1.3.1 Corps, sens et motricité ................................................................................................... 20 1.3.2 L’œuvre d’art comme résultat d’une action sur la matière ............................................. 21 1.3.3 L’expression comme expérience et rencontre entre l'œuvre et le public ....................... 21 2. Générer une œuvre expressive à l’aide des médias traditionnels et numériques ........................ 23 2.1 L’expressivité dans l’art traditionnel ...................................................................................... 23 2.1.1 Contexte historique de l’expressivité dans l’histoire art et émergence de l’individu artiste ....................................................................................................................................... 23 2.1.2 La couleur comme puissance expressive ......................................................................... 24 2.1.3 La simplification et la stylisation ...................................................................................... 28 2.1.4 L’emploi du matériau, l’importance de la matière et du médium ................................... 30 2.2 Les spécificités du médium numérique .................................................................................. 33 2.2.1 Simulation et transposition ............................................................................................. 33 2.2.2 L’automatisation, un gain de temps pour les artistes ...................................................... 34 2.2.3 L’essor de la génération procédurale comme terrain d’expérimentation et d’hybridation ................................................................................................................................................. 35 2.2.4 La question de la matérialité du numérique et de la technicité ...................................... 36 2.3 Le style et le rendu artistique dans les réalisations numériques aujourd’hui: exemples de diverses œuvres s’inspirant des techniques traditionnelles dans un but expressif ...................... 37 2.3.1 Film .................................................................................................................................. 38 8 2.3.2 Jeu-vidéo ......................................................................................................................... 40 2.3.3 Installations interactives .................................................................................................. 43 3. Les techniques de rendu expressif ............................................................................................... 43 3.1 Le rendu en images de synthèse ............................................................................................ 44 3.1.1 Définition et fonctionnement global ............................................................................... 44 3.1.2 Le choix du rendu temps réel .......................................................................................... 45 3.1.3 Le pipeline graphique et la méthode de rendu par rastérisation .................................... 46 3.2 Le rendu expressif .................................................................................................................. 54 3.2.1 Définition ......................................................................................................................... 54 3.2.2 Caractéristiques relatives au rendu expressif .................................................................. 55 3.2.3 Apports techniques et utilisations ................................................................................... 58 3.3 Tour d’horizon de techniques de rendu expressif et étude du lien entre l’outil et l’utilisateur ..................................................................................................................................................... 59 3.3.1 Filtres et traitement d’image ........................................................................................... 59 3.3.2 Rendu à base de marques ou SBR ................................................................................... 62 3.3.3 Transfert de style par deep learning ................................................................................ 66 3.3.4 Méthode par création de shell ou coquille ...................................................................... 66 3.3.5 Rendus expressifs basés sur la lumière ............................................................................ 68 II Expérimentations et créations d’outils de rendu expressif aux effets variés, s’inspirant de techniques traditionnelles .................................................................................................................... 70 1. Permettre l’expression artistique à travers divers matériaux virtuels grâce aux outils de traitement d’image .......................................................................................................................... 71 1.1 Généralités et principes du post-processing par traitement d’image en temps réel .............. 71 1.1.1 Rôle et apports dans le domaine du temps réel ............................................................. 71 1.1.2 Précisions et descriptions techniques: comment développe-t-on un shader dans Unity? ................................................................................................................................................. 72 1.1.3 Comment réaliser un effet de post processing via Unity? ............................................... 73 1.2 Développement de la palette de matériaux ........................................................................... 73 1.2.1 Touches de peinture ........................................................................................................ 74 1.2.2 Aquarelle ......................................................................................................................... 77 1.2.3 Ajout de contour, crayonné ............................................................................................. 80 1.2.4 Turbulences ..................................................................................................................... 81 1.3 Retour d’expérience et efficacité ........................................................................................... 82 1.3.1 Apports de la méthode: un outil léger qui aide l’artiste à générer une variété de styles visuels expressifs ...................................................................................................................... 82 9 1.3.2 Les limites de l’outil: un manque de contrôle au niveau local ......................................... 82 1.3.3 Appréciations sur la méthode employée et définition des nouveaux enjeux .................. 83 2. Algorithmes pour générer des peintures de manière procédurale .............................................. 83 2.1 Choix de la technique ............................................................................................................. 83 2.1.1 Principe du rendu basé sur strokes .................................................................................. 83 2.1.2 Problématiques et enjeux ................................................................................................ 84 2.1.3 Intérêt pour la création artistique ................................................................................... 85 2.2 Première variante de l’outil .................................................................................................... 86 2.2.1 Gagner en performances et en maniabilité avec les compute shaders ........................... 86 2.2.2 Structure principale de la stroke...................................................................................... 88 2.2.3 Transformations et placement des touches de peinture ................................................. 89 2.3 Deuxième variante: Wind Painter......................................................................................... 101 2.3.1 Retrouver la trace de l’artiste par l’évocation du mouvement ...................................... 101 2.3.2 Comportement des strokes au cours du temps ............................................................. 103 2.3.2 Une peinture générative guidée par le son ou la musique ............................................ 106 2.4 Retour d’expérience et efficacité ......................................................................................... 107 3. Peindre une géométrie animée de manière procédurale ........................................................... 107 3.1 Expérimentations en précalculé ........................................................................................... 108 3.1.1 Méthode manuelle par placement de plans .................................................................. 108 3.1.2 Méthode par motion blur .............................................................................................. 109 3.1.3 Méthode par utilisation de techniques de fur ............................................................... 110 3.2 Instanciation sur mesh 3D .................................................................................................... 111 3.2.1 Récupérer les positions des points sur un mesh après déformation du skinning .......... 111 3.2.2 Répartir les instances de manière efficace, scattering .................................................. 112 3.2.3 Orientation des strokes ................................................................................................. 114 3.2.4 Apparence des strokes ................................................................................................... 115 3.2.5 Gérer la lumière ............................................................................................................. 116 3. Retour d’expérience ................................................................................................................... 117 III Réalisation artistique : travail sur la matière céleste par la couleur et la lumière comme sources d’expression et d‘immersion .............................................................................................................. 119 1. Un film immersif ......................................................................................................................... 119 1.1 Présentation du projet ......................................................................................................... 119 1.2 Références artistiques .......................................................................................................... 120 1.3 Objectifs techniques et esthétiques ..................................................................................... 120 10 2. Le rendu de ciel étoilé comme exercice de style ........................................................................ 121 2.1 Historique et traitement du ciel de nuit en art traditionnel ................................................. 121 2.2 Création du ciel procédural .................................................................................................. 123 2.3 Gestion de variantes de ciel afin de produire des effets visuels accompagnant la narration et exprimant les états mentaux de l’astronaute ............................................................................. 124 3. Mettre en valeur les personnages uploads/s3/ creation-et-developpement-d-x27-outils-de-rendu-pour-l-x27-expression-artistique-en-animation-3d-temps-reel.pdf

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