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image de synthèse

Image artificielle, animée ou non, fabriquée par des moyens optiques, électroniques ou informatiques.

TECHNIQUE

Les principes du traitement et de la synthèse d’images

Vecteur de communication privilégié de notre société, l'image bénéficie des techniques de l'informatique graphique, ou infographie. On sait analyser et interpréter le contenu d'une image – c'est le traitement – mais aussi créer directement des images animées en couleurs sur l'écran graphique d'un ordinateur à partir de données numériques : c'est la synthèse. Une image est constituée d'une matrice de points élémentaires, les pixels (de l'anglais picture element) : quelques milliers ou plusieurs millions selon la résolution graphique souhaitée. Pour analyser une image ou pour en exciter électroniquement chaque pixel lors de sa synthèse, il faut disposer d'ordinateurs très rapides, par exemple des multiprocesseurs, travaillant en parallèle. Les logiciels de visualisation tridimensionnelle, de manipulation dans l'espace et de simulation d'images affichées à l'écran sont issus des techniques de la conception assistée par ordinateur.

Extraire les informations significatives d'une image : tel est le rôle du traitement, qui utilise des algorithmes de filtrage, d'élimination de défauts, de coloriage, de contraste pour améliorer des vues de plus ou moins bonne qualité obtenues par photographie ou vidéo.

La visionique industrielle, notamment la reconnaissance de pièces ou le guidage de robots, se contente d'images en noir et blanc avec simple analyse des niveaux de gris. La télédétection aérienne des ressources terrestres requiert le traitement de vues en couleurs pour l'analyse des différentes longueurs d'onde émises par les zones minérales, aquatiques, la végétation, les cultures, les habitations et – pour les « satellites espions » – les objectifs stratégiques. Technique inverse et complémentaire, la synthèse d'images par ordinateur est née des progrès des simulateurs électroniques de conduite et de pilotage. Utilisée par les ingénieurs et les architectes, mais aussi par les chercheurs pour visualiser les données mathématiques issues de l'expérimentation numérique, elle donne un nouvel essor à l'audiovisuel en ouvrant d'étonnantes perspectives au cinéma et à la télévision.

La révolution du dessin animé par ordinateur

Assister à la destruction de la Bastille, pierre par pierre, et se promener dans le Paris de la Révolution : les visiteurs de « Tuileries 89 » ont pu revivre ces événements, deux cents ans plus tard, grâce à Paris 1789, premier film historique en images de synthèse en trois dimensions (3D). Ce court métrage français de dix minutes a demandé cinq mois de travail à 85 personnes et surtout 2 000 heures de calcul sur cinq puissants ordinateurs graphiques. Coût de production : 11,5 millions de francs (1,75 million d'euros), soit environ 20 000 F (3 049 euros) pour chaque seconde de projection !

La synthèse d'images animées par ordinateur, bien que très coûteuse, offre cependant une étonnante palette de nouvelles possibilités graphiques au créateur artistique et à l'animateur. Elle s'intègre dorénavant dans de nombreux films publicitaires, sert à réaliser des trucages divers et des génériques d'émissions de télévision et même à créer de surprenants décors fictifs.

Au cinéma, la première grande tentative date de 1982 avec Tron, long métrage de science-fiction produit par les studios Walt Disney, qui intégrait quelques minutes d'images simulées, essentiellement des décors, à des prises de vues réelles de personnages. Les progrès de l'informatique graphique, par exemple le « lancer de rayon », qui maintient l'excitation électrique des pixels d'une image animée, et l'utilisation intensive de supercalculateurs, comme les Cray XMP, ont favorisé l'intégration de ces nouvelles images dans des séquences de superproductions d'aventures : la Guerre des étoiles, Roger Rabbit, Abyss, Terminator 2, Jurassic Park… Les studios de George Lucas, aux États-Unis, utilisent l'ordinateur à la fois pour simuler les mouvements dans l'espace des caméras, maquettes et décors lors de trucages et pour y insérer directement des images électroniques.

Le dessin animé, qui procédait par la seule représentation « à plat » des décors et des personnages, utilise désormais ces vues tridimensionnelles. Oliver et Cie, long métrage d'animation des studios Walt Disney présenté en 1989, incorporait douze minutes d'images électroniques. En 1995, les studios Walt Disney et Pixar réalisent Toy Story, le premier long-métrage créé entièrement par ordinateur. Il sera suivi par 1001 pattes (1998), Toy Story 2 (1999), Monstre et Cie (2001), le Monde de Nemo (2003), les Indestructibles (2004), Cars : quatre roues (2006), Ratatouille (2007)… En 2006, Luc Besson réalise Arthur et les Minimoys, film d’animation créé par ordinateur. La synthèse d’images en trois dimensions a révolutionné le cinéma d’animation.

Des simulateurs de pilotage aux images interactives

Le cockpit dans lequel prend place le pilote d'avion de combat est l'exacte réplique de celui de l'appareil réel. Il est monté sur des vérins électrohydrauliques associés à des systèmes vibratoires qui restituent avec fidélité les sensations d'accélération en vol et l'environnement sonore. L'ensemble est placé au centre d'un écran de projection semi-hémisphérique visualisant l'horizon perçu par le pilote. Synthétisé par l'ordinateur, le paysage défile : montagnes et vallées, villes et maisons, routes et pistes d'atterrissage et autres objectifs stratégiques sont restitués en couleurs et avec réalisme. En simulation de combat, les trajectoires des appareils ennemis, celles de leurs projectiles et des batteries anti-aériennes au sol sont également générées en temps réel par l'ordinateur graphique. Piqués, virages, vols en rase-mottes : le pilote a l'exacte sensation d'être aux commandes d'un appareil réel ! De tels simulateurs électroniques très élaborés seraient irréalisables sans l'apport des actuelles images électroniques de synthèse. Les recherches en ce domaine ont été amorcées à la fin des années 1960 par les laboratoires électroniques américains travaillant pour le compte de l'US Air Force et pour la NASA. Le but était alors de remplacer, pour la formation des pilotes et des astronautes, les enregistrements vidéo et les classiques images animées utilisées sur les premiers simulateurs par des images interactives, c'est-à-dire susceptibles d'être modifiées en temps réel par l'ordinateur de conduite de vol en fonction des réactions du pilote. Sogitec, à présent filiale du groupe Dassault Aviation, est la première firme à avoir maîtrisé à la fois la conception et la réalisation de tels systèmes complexes de simulation de missions aériennes ou terrestres ainsi que la construction de la chaîne complète de visualisation. Aujourd’hui, elle propose pour l’entraînement des équipages des simulateurs en dômes ou sur écran plan qui, grâce à des générateurs d’images, reproduisent l’environnement réel avec une fidélité maximale : les pilotes d’avions ou de chars peuvent ainsi apprendre à exécuter leurs missions et à gérer le système d’armement dont ils disposent selon plusieurs scénarios tactiques réalistes et en fonction de la nature du terrain, également générés par l’ordinateur. Les simulateurs servent aussi à former des pilotes d'avions civils et des conducteurs de véhicules terrestres, dont les métros et les T.G.V.

La synthèse d'images est l'aboutissement logique de la conception assistée par ordinateur, qui permet d'effectuer la simulation d'objets immatériels. Pour la mise au point d'une carrosserie d'automobile, l'ingénieur-concepteur utilisera tout d'abord la représentation maillée tridimensionnelle pour calculer les contraintes mécaniques, visualiser les joints d'assemblage et les trajectoires des robots de soudage. Le styliste habillera cette structure mécanique par des ombrages et des effets de lumière et fera pivoter dans l'espace cette maquette virtuelle pour en examiner l'aspect sous tous les angles. De son côté, l'architecte utilisera les images de synthèse pour matérialiser les bâtiments et les plans d'urbanisme et avoir, par exemple, le point de vue d'un piéton parcourant les rues… Le chercheur, enfin, dispose d'un outil visuel pour exploiter les données issues des calculs en expérimentation mécanique, nouvelle méthode qui utilise non des objets réels mais leurs modèles mécaniques ou numériques. On simule ainsi en mécanique des fluides – par le calcul et sans maquette – l'écoulement aérodynamique le long d'un profil d'aile d'avion. La masse des données issues des superordinateurs est alors synthétisée sous la forme d'une simple représentation de l'écoulement, chaque couleur permettant d'identifier une zone de pression ou de turbulence. Outre des gains de temps considérables, cette technique sert aussi à « visualiser l'invisible », par exemple à représenter la structure en quarks d'un proton, l'effet de lentille gravitationnelle autour d'un trou noir, etc. Cet accès à l'infiniment petit ou à l'infiniment grand ouvre aux images de synthèse une nouvelle voie : la compréhension et la visualisation de concepts physiques ou mathématiques abstraits.

Pour en savoir plus, voir l'article image en relief.