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Cel shading - Technique

Partie 1
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Par Numerimaniac - publié le
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NOTE PRELIMINAIRE : Ce dossier a été rédigé fin 2008. Il ne constitue pas une base scientifique mais doit plutôt être considéré comme un article de vulgarisation.

 

Le cel shading est aujourd’hui un procédé utilisé principalement dans les images de jeux vidéo depuis le début des années 2000 et qui, au-delà de l’effet de mode, perdure encore aujourd’hui. Nous vous proposons, pour mieux saisir ce mode de représentation, d’aborder le cel shading sous trois axes. Nous traiterons, dans cette première partie, de l’aspect technique. Dans une prochaine partie, nous développerons un bref historique ainsi que le double usage du cel shading. Et enfin, dans la dernière partie, nous tenterons de réfléchir sur sa raison d’être. Les chiffres entre parenthèses renvoient aux sources en fin d’article.

Le mot cel shading est un terme générique qui définit le traitement de l’image virtuelle pour lui insuffler un rendu non photo réaliste (NPR) (1). Le mot contient deux termes : « cel » fait référence au celluloïd utilisé pour les dessin animés et « shading » à ombrage (2). Il est aussi appelé - plus rarement - toon shading. Ces deux termes mettent en avant l’aspect cartoon (plus globalement le dessin animé ou la bande dessinée), mais il définit aussi les jeux à l’aspect crayonné, à l’aquarelle, peint etc. et le plus souvent, imite un rendu en 2D dans un environnement en 3D (1) (la bande dessinée étant en 2D avec des effets de perspectives).

Nous ne rentrerons que légèrement dans les détails techniques. Néanmoins, nous ne pouvons couper à quelques notions de géométrie et de rendus. Effectivement, le cel shading est une technique de rendu qui repose sur la représentation des volumes et des ombres (3). Avant de comprendre un rendu comme le cel shading, il faut comprendre les rendus traditionnels. Pour commencer, penchons-nous vers le modèle « de base » : le flat shading (dit aussi modèle Lambert ou encore ombrage plat). Le flat shading est un modèle à base de triangle, qui peut-être éclairé (4). Pour éclairer un objet, il faut faire appel à la notion des normales. Une normale est un vecteur perpendiculaire à chaque polygone dont l’orientation comparée à la position des sources lumineuses (source qui peut être elle même de couleur), permet de déterminer « l’ensoleillement » du polygone (3). Ainsi, lorsqu’on approche une source lumineuse (un point lumineux) près du modèle, chaque triangle, selon sa distance et son inclinaison à la source lumineuse, modulera sa couleur selon la couleur ambiante de son matériau (1). En d’autres termes, selon l’éclairage, le modèle adoptera différentes nuances de la couleur qui le compose (si le modèle est bleu, alors différentes variations du bleu : du clair au plus foncé).

 

En ce qui concerne le flat shading, chaque triangle applique uniformément sur sa surface l’éclairage de la source lumineuse. Entre deux triangles, il peut y avoir comme différentes strates de couleurs biens visibles.

La technologie aidant, deux types de lissages sont apparus et permettent de ne plus voir ces strates mais de se rapprocher d’un éclairage proche de la réalité. Ce sont le lissage Gouraud et le lissage Phong.
Le lissage de Gouraud (Gouraud shading) est davantage une technique d’ombrage que d’éclairage (4). L’ombrage de Gouraud consiste à « interpoler linéairement la luminosité entre les trois sommets d’un polygone » (5). Qu’est-ce que cela veut dire ? D’un sommet à un autre, contrairement au flat shading qui applique uniformément la couleur sur toute la face du polygone, le lissage Gouraud permet d’établir un dégradé sur le polygone. Utilisé d’abord pour des démos en image de synthèse, il est aujourd’hui aussi utilisé pour la 3D (4&5). Un défaut majeur persiste néanmoins avec le lissage de Gouraud. En effet, On peut déceler les lignes qui séparent les polygones les uns des autres (4) qu’on appelle les bandes de Mach (6), une illusion d’optique due à la différence de contraste entre les limites de deux polygones.
Il reste le dernier type de lissage, le lissage Phong (Phong shading). Le modèle Phong « calcule l’intensité en chaque point qui combine trois éléments : la lumière diffuse, la lumière spéculaire et la lumière ambiante » (7). Pour faire simple, le modèle Phong parvient à améliorer l’ombrage Gouraud en la disparitions de bandes marquant la limite des facettes triangulaires (4) et à s’approcher très sensiblement de la réalité. Attention cependant, cela ne veut pas dire que le lissage Phong est sans défaut. Par exemple, il n’applique pas la radiosité (8).

Ces longues précisions sur les rendus traditionnels sont nécessaires pour comprendre le cel shading. Car étant un rendu NPR, il ne cherche pas à imiter la réalité, ce qui contraint la machine à calculer l’ombrage de manière différente.
En effet, au lieu de déterminer tous les dégradés entre deux sommets d’un polygone. La machine place une même couleur pour une table de valeurs définies (3).  Ainsi donc, en lieu et place d’un dégradé composé d’une multitude de couleurs, l’ordinateur doit, à travers sa table de valeurs, placer l’une ou l’autre couleur seulement. Au final, quelques couleurs, trois ou quatre par polygone apparaissent par exemple (3&9). Ces aplats de couleurs se rapprochent alors l’image de celle d’un dessin animé par exemple. Ainsi donc, nous pouvons tordre le coup à un préjugé répandu. Un cel shading réalisé dans l’art des règles citées précédemment utilise beaucoup de ressources pour l’ordinateur. En effet, le processus qui permet d’aboutir au cel shading (afficher quelques aplats de couleurs) nécessite à la machine de traduire les valeurs « normales » d’éclairage pour ensuite les convertir (3&9).

Il reste désormais à finaliser l’image en lui apposant des cernes, c’est-à-dire le tracé noir qui encadre les aplats de couleurs (3&9). Généralement, on présente le modèle en fil de fer et on définit les traits à mettre en gras. Néanmoins, pour permettre au joueur de voir en 2D dans un monde pourtant en 3D, on peut, lors de la mise en perspective de chaque nouvelle image, lancer un tri des arêtes des polygones et isoler celle que l’on souhaite voir ou non grâce au processeur ou au vertex shader (3). Certaines productions en cel shading ne l’utilisent pas, il reste un procédé facultatif. Tout dépend du type de cel shading que va utiliser le studio de développement.

Si nous avons décrit la théorie du cel shading, les rendus visuels peuvent trancher les uns par rapport aux autres. Tout dépend du cachet graphique que l’on souhaite réaliser. Cela, nous en reparlerons dans notre deuxième partie.

Notes : plusieurs orthographes sont adoptés pour le cel shading. Nous en avons adopté une qui nous semblait la plus judicieuse et nous l’appliquerons sur Numericity.fr   . Merci à Yakukuesu pour la relecture avisée de l’article.


SOURCES :

(1)    http://bdf.tibone.com/article.php?id=71&theme=1 : article du site Boule De Feu consacré au cel shading, site consulté le 26 novembre 2008.
(2)    http://fr.wikipedia.org/wiki/Cel-shading : article Wiki de l’encyclopédie Wikipedia en Français consacré au cel shading, site consulté le 26 novembre 2008.
(3)    « 3 couleurs par texture » ; Joypad ; Décembre 2004 ; n°147 ; p118
(4)    http://jmsoler.free.fr/lexique.htm : article du site jmsoler consacré au lexique technique de la représentation en 3D, site consulté le 26 novembre 2008.
(5)    http://fr.wikipedia.org/wiki/Ombrage_Gouraud : article Wiki de l’encyclopédie Wikipedia en Français consacré à l’ombrage de Gouraud, site consulté le 26 novembre 2008.
(6)    http://fr.wikipedia.org/wiki/Bandes_de_Mach : article Wiki de l’encyclopédie Wikipedia en Français consacré aux bandes de Mach, site consulté le 26 novembre 2008.
(7)    http://fr.wikipedia.org/wiki/Ombrage_Phong : article Wiki de l’encyclopédie Wikipedia en Français consacré à l’ombrage de Phong, site consulté le 26 novembre 2008.
(8)    http://fr.wikipedia.org/wiki/Radiosit%C3%A9 : article Wiki de l’encyclopédie Wikipedia en Français consacré à la radiosité, site consulté le 26 novembre 2008.
(9)    http://www.japanwarpzone.com/infos_plus_loin/cel_shading/cel_shading.html : article du site japanwarpzone consacré au cel shading, site consulté le 26 novembre 2008.

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