Zébrés, rugueux, sinueux : un algorithme pour créer des motifs oscillants irréguliers

Amélioration de la précédente référence en la matière (Gabor noise, ou bruit de Gabor), le bruit procédural de Gabor avec phase (procedural phasor noise) sera présenté lors de la conférence internationale SIGGRAPH 2019. Il permet de générer des motifs complexes, avec une maîtrise jusque-là inaccessible. Déclinée en impression 3D, cette approche ouvre aussi la voie à une fabrication simplifiée de matériaux composites aux propriétés physiques variables selon les directions !

Représenter une surface parfaitement uniforme est peu réaliste : aucune surface n’est tout à fait lisse ou unicolore. Pour reproduire les aspects réalistes de matériaux tels que l’écorce, le bois, ou le crépi, une infographie doit donc générer des motifs aléatoires sur les surfaces représentées.

S’il est possible d’obtenir de tels rendus à la main, en peignant les surfaces pixel après pixel, les artistes utilisent aussi des logiciels. Néanmoins leurs résultats ne sont pas toujours satisfaisants. Grâce à d’ingénieuses innovations, les scientifiques des équipes-projet MFX, commune à Inria Nancy – Grand Est et au Loria, et Maverick, d’Inria Grenoble Rhône-Alpes, présentent à SIGGRAPH 2019 un algorithme "procédural", qui permet de générer de nouveaux types de motifs aléatoires à la surface d’objets modélisés en 3D. 

Générer des motifs "à la volée"

Sylvain Lefebvre, directeur de recherche Inria et responsable de MFX, avait déjà participé en 2009 au développement d’un algorithme de génération de motifs "à la volée", nommé bruit de Gabor. Cette version "historique" crée une structure de motifs sous forme de vaguelettes orientables à souhait le long d’axes préférentiels. Les stries produites sont plus ou moins espacées, et avec des alternances différentes selon les directions et selon les combinaisons des différentes orientations de vaguelettes. Cette structure de motifs est appliquée sur la surface pour en faire varier les couleurs et lui donner une texture particulière. On peut ainsi par exemple provoquer des vaguelettes aléatoires sur une surface puis les faire correspondre à des teintes de beige et marron pour obtenir les veines d’un panneau de bois.

Le bruit de Gabor (Gabor noise) représentait une innovation majeure car il permettait une plus grande variété de motifs aléatoires pour les "texture procédurales", c’est-à-dire les textures issues d’une "procédure", ou série d’étapes à réaliser sur un pixel pour obtenir une couleur spécifique. Ce type d’algorithme est très efficace d’un point de vue pratique car il requiert très peu de mémoire de stockage. Appliqué aux images de grande résolution – et d’autant plus dans le cas de films d’animation – le gain en termes de mémoire de stockage du bruit de Gabor, combiné au contrôle précis des motifs produits, en a fait un outil de choix pour les infographistes.

Un pas plus loin

Il restait cependant des inconvénients. Tout d’abord l’amplitude des vaguelettes n’était pas uniforme et pouvait devenir anormalement faible et perturber les contrastes. D’autre part, le bruit de Gabor ne permettait pas de contrôler le profil géométrique des vaguelettes (qui ont toujours une forme ressemblant à une sinusoïde), limitant donc les possibilités de création de motifs.

Pour s’affranchir de défauts jusque-là incontournables, les chercheurs Inria viennent de mettre au point un nouvel algorithme : le "bruit procédural de Gabor avec phase" (procedural phasor noise) , qui sépare amplitude et phase d’oscillation lors de la génération des vaguelettes. Il devient alors possible d’obtenir avec certitude des motifs à contraste fort, régulier et uniforme, basé sur des oscillations précisément contrôlées en profil, orientation, et taille.

« Cela permet, pour un coût en mémoire minime de 400 lignes de code, de produire à la volée des apparences bien plus naturelles pour la modélisation graphique de zébrures, de surfaces de sable, d’écorces ou de craquelures sur des objets », explique Sylvain Lefebvre.

Et le procedural phasor noise a une autre propriété intéressante et totalement inédite : il permet de resculpter le profil de ses oscillations, par exemple sous forme de signal sinusoïdal, triangle ou carré, ce qui ouvre la voie à des applications tout à fait nouvelles, notamment pour la fabrication additive par impression 3D.

En effet, cette même fonction de bruit permet d’imprimer une pièce en lui donnant des rugosités variables en surface ou de produire des pièces avec des motifs utilisant deux matériaux différents, ce qui mène à des objets ayant des propriétés mécaniques particulières. L’une des toutes premières applications testées par les chercheurs a été d’élaborer des laminés composites à élasticité variable, en générant les motifs via le bruit procédural de Gabor avec phase (procedural phasor noise) puis en faisant correspondre matériau souple ou rigide aux zones "hautes" et "basses" des vaguelettes.

Un tel matériau peut être intégré à une semelle de chaussure de sport par exemple, mais ce n’est pas la seule utilisation possible. En impression 3D, cette nouvelle méthode ouvre un large horizon de possibilités. Il reste à les explorer !

Toutes sortes de pièces techniques en impression 3D sont envisageables.