Ayam_CSG

Construire une scène consiste à modéliser des objets volumiques et à les mettre en scène en utilisant un outil dédié, le modeleur. Rendre la scène, c'est restituer une vison photo-réaliste de celle-ci par l'entremise d'un autre outil spécifique, le moteur de rendu. Parfois, les modeleurs intègrent leur propre moteur de rendu (Moonlight Atelier 3D, Equinox-3D, Blender...), parfois, ils font appel à un moteur externe tel que PovRay, BMRT, VirtualLight, Aqsis, Air.... C'est le cas du modeleur libre multi-plateforme AYAM qui fait appel par défaut au moteur, multi-plateforme aussi, BMRT

Nous nous proposons de réaliser les tâches précitées: construire la scène dans AYAM, en utilisant les fonctions CSG, et la rendre dans BMRT. Un seul prérequis: la connaissance minimale de l'interface de AYAM et du recours à ses fonctions de base.

1 Deux ou trois choses à propos de la CSG:

Il ne s'agit pas de la Contribution Sociale Généralisée, à laquelle tout contribuable est astreint, mais de combinaisons simples de volumes de base, appélés Primitives, afin de constituer un volume complexe qu'il eût été impossible de modéliser autrement. On comprend bien qu'en additionnant des sphères, cubes, cones, tores... c'est à dire des Primitives, on constitue un objet de forme tarabiscotée; on comprend encore qu'en soustrayant d'autres primitives au premier objet composé on obtiendra une forme davantage compliquée: cette façon de faire s'appelle CSG, c'est à dire Constructive Solid Geometry, une des plus anciennes méthodes de modélisation 3D, qui s'appuie sur les opérations booléennes. Il 'agit en fait d'opérations simples, Union, Différence et Intersection (et quelques dérivés: Merge, Inverse, Clipping) qui doivent leur nom au mathématicien anglais George Boole (1815-1864) qui mit au point en 1846 une algèbre logique, l'algèbre de Boole, définissant des relations logiques de réunion, d'intersection et de complémentation.
Qu'on ne s'affole pas: les opérations seront effectuées par l'ordinateur, l'utilisateur se contentant de signaler au programme quel genre d'opération il souhaite voir réalisées entre deux primitives de son choix.
Exemple: soit un cube A et une sphère B, les deux primitives, imbriqués comme sur la Fig00: "CSG dans TrueVision".
Les opérations Union AB et Union BA seront visuellement et logiquement identiques: les deux primitives existent toujours avec leurs caractéristiques propres mais seront considérées lors de manipulations ultérieures comme un seul et même objet.
Les opérations Merge AB et Merge BA seront visuellement identiques à Union, mais les objets perdent leurs caractéristiques propres au droit de leur volume commun. Les deux objets ont fusionné en un seul.
Les opérations Intersections AB et Intersection BA seront visuellement et logiquement identiques, puisque Intersection ne conserve que la partie commune aux deux objets, et supprime le reste. La partie commune de A et B est évidemment identique à la partie commune de B et de A.
Les opérations Différence AB et Différence BA donnent des résulats différents. Dans le premier cas, il s'agit de soustraire B à A, donc d'enlever la sphère au cube, alors que dans le second, il s'agit de soustraire A à B, c'est à dire d'enlever le cube à la sphère.

2 Mise en oeuvre dans AYAM

Ayam dispose des trois opérations élémentaires Union, Différence et Intersection, dont le mode opératoire est conforme à ce qui a été dit précédemment. Toutefois, alors que la simplicité voudrait que l'on indique au programme que l'on veut effectuer une Intersection(par esxemple) entre les primitives A et B, il faut, dans AYAM, créer d'abord les objets à traiter, puis créer un objet résultant d'une CSG, c'est à dire un objet Level, ensuite préciser quelle est la nature de l'opération par LevelAttr > Intersection, et enfin, par un tirer-déposer (Drag'Drop) à partir de l'arbre de construction, introduire dans Level les objets A et B, dans l'ordre. Cette démarche est identique à celle que l'on rencontre dans KPovmodeler, Moray et, à un degré moindre, Cinema 4D.
En résumé:

-Créer une Sphère A et un Cube B
-Les positionner relativement l'un à l'autre
-Créer un Level
-Renseigner LevelAttr
-Placer Sphère dans Level
-Placer Cube dans Level

Et... rien ne semble avoir changé.
En effet, tout comme dans KPovmodeler, le résulat de l'opération n'est visible que dans un rendu, ce qui est une faiblesse de ces deux programmes. Moray dipose d'une fonction Evaluate qui permet de voir l'opération en mode filaire.
A noter également: si le matériau (shader) des objets leur a été affecté avant la CSG, les surfaces visbles des objets après l'opération conservent leurs attributs propres. Si aucun matériau n'a été attribué aux objets participants, il suffira d'en attribuer un à l'objet Level, et toutes les surfaces visibles auront l'aspect de ce matériau. Voir Fig 01: "CSG Ayam".

3 Modéliser les objets de base

Nous nous proposons de modéliser un dé à jouer. Celui-ci, si l'on y regarde de près, n'est pas un simple cube. En effet, il faut qu'il puisse rouler sur un tapis et qu'il puisse également interrompre sa course dans une position stable. Pour ces raisons, les arêtes et les sommets du dé sont arrondis, et il présente 6 faces planes sur lesquelles il peut s'arrêter. En l'examinant encore plus attentivement, on s'aperçoit que le dé est constitué d'une sphère à laquelle on a ôté 2 fois 3 calottes orthogonales.
Ainsi défini comme le résultat d'une soustraction de volumes à un autre volume, le dé est parfait pour être obtenu par CSG, la soustraction (différence) étant une opération booléenne.
Il y a deux façons de procéder pour le cas présent: soit construire une sphère, l'entourer de 6 cubes correctement disposés et sosutraire les cubes à la sphère. C'est une méthode trop complexe.
L'autre façon consiste à imbriquer une sphère dans un cube et à réaliser l'intersection des deux volumes, afin de ne conserver que leur partie commune. Bien évidemment, on va recourir aux Primitives existantes Box et Sphere pour imbriquer la sphère et le cube.
Avant et après opération booléenne, les deux Primitives se présentent dans AYAM comme sur laFig 1: "Les éléments de base".

4 Opérer dans le vif

5 Faire le(s) Point(s)

Les points sur les faces d'un dé sont des demi-sphères imprimées en creux. On comprend aisément ici aussi que l'on obtiendra ce résultat par un soustraction de matière. Toutefois, il s'agit de faire preuve d'un minimum de ruse si l'on veut s'épargner un fastidieux labeur. En effet, un dé compte un total de vingt et un points. Va-t'on effectuer vingt et une soustractions de une sphère (Difference)? Ou bien va-t'on pouvoir effectuer une seule soustraction de vingt et une sphères? Evidemment, la facilité nous entraîne vers la deuxième solution, qui est effectivement possible en procédant comme suit:

-Créer une sphère, modifier son échelle pour 0.2 sur X, Y et Z.
-Disposer la sphère sur la face voulue du dé.
-Puis par recopie (Main> Edit> Copy / Paste ou Ctrl-c Ctrl-v) créer les autres sphères et les mettre en place.
-Créer un objet Level Union.
-Placer toutes les sphères-points dans cet objet Level
-Afin de clarifier la lecture de l'arbre de construction, renommer Level Intersection en Faces_Cube (Main> Objects Level; Poperties Attributes> Objectname: Face_Cube)
-Renommer Level Union en Les_Points, et chaque sphère-point en Point1, Point3_1 etc,.

L'arbre de construction et la vue filaire de travail devrait ressembler à la Fig 3: "Union des points", (qui est capturée pour les points sur 3 faces seulement)

6 Percer les faces et finaliser le dé

Pour l'heure, les vingt et une sphères sont toujours des sphères "en relief" sur les faces du dé. Il faut donc les "enfoncer" dans les faces comme si elles étaient des poinçons, et les retirer ensuite pour que ne demeurent visibles que leurs empreintes. Une opération booléenneDifference permet l'obtention de cet effet. Comme précédemment, opérer ainsi:

- Creer un objet Level Difference
-Le renommer De_Final.
-Placer dans cet objet De_Final, l'objet Face_Cube puis l'objet Les_Pointsen respectant cet ordre de hierarchisation. C'est aux faces que l'on soustrait les points et non l'inverse.
-Créer un materiau pour le cube Mat_Cube (Surface: shader plastic; RiAttributes: color 255,0,0).
-Créer un matéraux pour les points Mat_Points (Surface: shader plastic; RiAttributes: color 255,255,240)
-Affecter ces matériaux par drag'drop aux objets concernés, c'est dire en déplaçant l'objet et en le déposant sur le matériau qu'on veut lui affecter.

L'arbre de construction et la vue filaire de travail devraient ressembler à la Fig 4: "Percer les Faces".

7 Vérifier le résultat

Tout le travail fastidieux est enfin terminé. Il est donc temps de se donner quelque satisfaction en effectuant un rendu de la scène minimaliste ainsi réalisée. Simultanément, l'opération de rendu permettra de se rendre compte des effets de la CSG qui, rappelons-le, ne sont visibles ni en filaire ni en rendu rapide (Quick Render). Le résultat étant plus significatif en vue perspective qu'en vue orthogonale, se rendre dans la vue Persp > View> Render.
BMRT se lance et, normalement, le résultat devrait ressembler à celui de la Fig 5: "Vérification du résultat".

8 Création d'un sol.

A partir de maintenant, tout devient simple et gratifiant parce que la moindre modification aura un grand effet. Par exemple: l'ajout d'un support au dé, qui pour l'instant se trouve en apesanteur dans le noir. Ceci consiste en la création d'un sol, composé d'un cube (Box) dimensionné tel que: Scale X: 30 Y:0.05 Z:30. Evidemment, ce sol devra être positionné de sorte que le dé repose sur lui (on peut déplacer le dé plutôt que le sol, au grè de chacun). Voir Fig 6: "Création d'un sol".

9 Composer la scène.

Un dé sur un sol, c'est un peu rudimentaire. On peut donc multiplier les dés par Main> Edit> Copy / Paste. Les dés copiés occupent par défaut la même place que le dé source. Pour les déplacer, il suffit de les sélectionner dans l'arbre de construction, qui contient maintenant deux objets supplémentaires portant le même nom que l'original De_Final (Level). Evidemment, il conviendra de renommer les nouveaux venus d'une manière explicite, tel que De_Final_2 et De_Final_3, afin de pouvoir sélectionner sans erreur l'objet voulu. Tout cela est une évidence, qu'il est quand même bon de rappeler.
Chacun disposera les dés à sa convenance. Une vérification en Quick Render sera suffisante pour contrôler les modifications. La Fig 7: "Composer la scène" propose une disposition des dés les uns par rapport aux autres.

A mon avis, une accumulation de dés identiques ne serait pas d'un grand intérêt, sauf à les empiler d'une manière tout à fait originale et esthétique. Au contraire, un dé d'une autre couleur pourrait rompre la monotonie de l'uniformité, en apportant une note singulière, ou en captant le regard pour le diriger vers un endroit de l'image que l'on voudrait mettre en évidence. Quelle qu'en soit la raison, ajouter un autre dé par la même méthode du copier-coller. Ce nouvel objet ne différe en rien des autres, puisque la copie est conforme à l'original, tant en forme qu'en attributs de matériau.
Si l'on veut que ce dernier dé différe, il va falloir créer deux nouveaux matériaux que l'on affectera à ses faces et à ses points. De même, il convient d'en créer un pour le sol: pourquoi pas un vert, style tapis de jeu (Surface: shader orennayar; RiAttributes: 0,146,0)? Ne pas oublier non plus d'éclairer la scène avec trois spots à 120°, dont un seul projettra une ombre. Les caratéristiques essentielles des spots (Intensity, ConeAngle, ConeDAngle) sont fonction de l'ambiance de scène désirée, et de la position des spots par rapport aux objets.
Effectuer enfin un rendu de la vue perspective, afin d'obtenir quelque chose d'approchant à Fig 8: "Un Dé de plus?".

10 Fignolons, fignolons: c'est le fond qui manque le moins.

La scène commence a avoir un peu d'allure. Mais que font ces quatre dés empilés, perdus sur un tapis? Ils paraissent déposés là artificiellement. Ont-ils été jétés à la main? A l'aide d'un gobelet? Directement sur un tapis de carte à jouer ou dans l'aire close d'un plateau? Selon ce que la scène doit transmettre (le plus souvent: rien du tout. Elle cherche juste à susciter une émotion), il convient d'y rajouter des éléments. Par exemple , un plateau à bordure de bois, posé sur l'aluminium bouchonné d'une table de bistrot. C'est juste une suggestion, facile à mettre en oeuvre.
Un plateau est constitué d'un Fond (Cylinder Scale X:12, Y:0.1, Z:12) et d'une Bordure réalisée par révolution (Revolve) d'une ICurve, le tout étant réalisé dans la vue Front.
Pour manipuler simultanément les objets Fond et Bordure, il est impératif de les hierarchiser en un seul objet: Plateau. Pour ce faire créer un Level Primitive, le renommer Plateau, et y déposer par drag'drop les objets Fond et Bordure.
Le matériau tissu vert existant déjà, l'attribuer au Fond du plateau, et en créer un nouveau (Surface: shader wood2) et l'attribuer à l'objet Bordure du plateau. Voir Fig 9: "Créer le plateau".

PROFITER DE LA CSG

Construire et rendre une scène simple dans AYAM