Rendu 3D en temps réel d'objets multi-texturés

Après avoir terminé la modélisation de mon premier projet 3D "de bout en bout" avec Blender (à savoir un vaisseau spatial), la prochaine étape consistait à charger mon modèle en temps réel à l'aide de l'API 3D C++/OpenGL sur laquelle je travaille avec beaucoup d'ardeur. Un écueil se présentait cependant: la gestion de plusieurs textures. Un objet 3D recouvert d'une unique texture est simple à gérer; un modèle multitexturé est cependant plus complexe à afficher. Il y a lieu de décider quelle méthode sera utilisée pour afficher les différentes textures à l'écran. Sur le vaisseau, on peut distinguer une texture pour la carcasse, une pour le cockpit, une pour le réacteur arrière et une dernière pour les tuyaux. L'utilisation de plusieurs textures sur un même objet 3D requérait quelques profondes modifications au sein du code de l'API 3D, celles-ci ont dès lors occupé mon temps libre ces derniers jours.

D'une part, l'ensemble des textures d'un objet 3D peuvent être fusionnées en une seule et unique texture UV créée à partir de Blender. Cependant, ce procédé s'avère difficile lorsque la géométrie du modèle 3D se complexifie, ce qui fut le cas avec le vaisseau. D'autre part, le standard Wavefront que j'utilise gère plusieurs textures de façon indépendante dans une seule librairie (fichier .mtl); mais mon implémentation actuelle ne supportait que les librairies composées d'un seul matériau. Après quelques recherches et réflexions, je décidai de modifier mon API afin de gérer les librairies composées de plusieurs matériaux, et donc de plusieurs textures. Suite à une bonne paire d'heures passées à développer, il m'était enfin possible de charger dynamiquement et d'effectuer le rendu temps réel d'objets multitexturés conçus via Blender.

Cette étape est un important palier dans la réalisation de mes projets personnels. En effet, je maîtrise désormais la reconstitution d'objets 3D ombrés et multitexturés en temps réel. Je peux donc me créer de petits programmes avec autant de modèles 3D que je le souhaite, construire un décor, des éléments, des personnages, etc. Les prochaines étapes seront donc logiquement les suivantes (je ne suis pas encore sûr de l'ordre):

• Gestion des sources de lumière
• Gestion des collisions
• Gestion de l'évolution des objets dans le monde virtuel
  
• Moteur physique (pesanteur, etc.)
• Animation des objets

La suite au prochain numéro. En parallèle, je vais vous confier que je travaille actuellement sur un plus beau vaisseau... affaire à suivre!

Développement d'une API 3D en C++: textures (2)

Je n'ai pas pu résister à l'envie de poster quelques réalisations supplémentaires. C'est comme ça, à chaque fois que je raffine un peu plus mon API 3D et que je la teste à l'aide de quelques programmes dédiés que je développe, je passe parfois bien du temps à contempler le résultat. Cela met du beaume au coeur, mais permet également de s'évader un peu et de réfléchir à la prochaine étape. Je laisse l'inspiration venir en "jouant" avec mes réalisations présentes.

Vous trouverez dans cet article les copies d'écran de trois objets que j'ai modélisés à l'aide de Blender, que j'ai exportés en Wavefront avec ce dernier, et que j'ai finalement chargés dans un programme de test développé à l'aide de mon API C++/OpenGL. Deux objets très simples à modéliser, mais qui comportent aussi bien des aspects d'ombrage et de texture: la Terre et la planète Mars. Et oui, j'ai assez bien la tête dans les étoiles et l'espace me fascine (bien que je ne sois pas un grand fan de Star Wars). Le dernier objet est un peu bizarre, c'est tout à fait normal: il a été modélisé assez rapidement dans le cadre d'une démonstration que j'ai réalisée en famille. La démonstration consistait bien sûr à montrer comment un objet modélisé avec Blender pouvait se retrouver très facilement dans une application 3D basée sur mes travaux.

Développement d'une API 3D en C++: textures

Le développement de ma propre API C++/OpenGL continue, bien que ralentie ces derniers temps suite à un emploi du temps très chargé, et bon nombre d'heures passées sur d'autres travaux informatiques. Bien évidemment, il n'était pas question d'abandonner ce projet: lentement mais sûrement, l'API évolue, permettant de charger des objets 3D de plus en plus complexes... et beaux !

Lors du dernier article, j'avais présenté la fonctionnalité de chargement des matériaux. Tout objet modélisé à partir de Blender peut être exporté, puis affiché dans mon application 3D (basée sur mon API) avec sa géométrie complète, une distribution de la lumière (shading) et certaines caractéristiques comme la couleur spéculaire, le degré de brillance, la couleur diffuse, etc.

Désormais, tout objet modélisé dans Blender peut être exporté avec tous ces aspects, plus une texture appliquée. Ceci incombe que les coordonnées de placage de la texture (UV) soient également exportées dans le fichier Wavefront associé, puis chargées et gérées par l'API 3D. Il est donc désormais possible de créer très rapidement un objet 3D complexe, ombragé, émettant de la lumière et possédant une texture (image au format TIFF), dans toutes mes réalisations 3D.

Je pense avoir implémenté toutes les fonctionnalités de base en ce qui concerne les objets 3D, je vais donc maintenant m'attaquer aux interactions: détection des collisions, mouvements mécaniques, etc. Beaucoup d'amusement en perspective !

Développement d'une API 3D en C++: base des matériaux

Le développement de mon API C++ basée sur OpenGL suis son cours. Lors du dernier billet de la rubrique "Développement", j'avais présenté les différentes fonctionnalités possibles, et m'étais arrêté sur les vecteurs normaux permettant de diffuser correctement la lumière sur toute la géométrie des objets. Le matériau utilisé pour afficher les objets 3D, dans mon API, était jusqu'ici toujours le même: un gris moyen.

J'ai amélioré l'API afin de gérer les matériaux propres aux objets de type Wavefront. Ces matériaux sont stockés dans des fichiers d'extension .mtl (pour Material Library) et sont composés de plusieurs informations: la couleur ambiante du matériau, sa couleur diffuse, sa couleur spéculaire (renvoyée par la lumière) et l'intensité de la réflection de la lumière (directement liée à la couleur spéculaire). Oh, et la valeur du canal de transparence (alpha) est également lue, mais ce dernier n'est pas encore utilisé (l'Alpha Blending, c'est pour plus tard).

Concrètement, qu'est-ce qui change depuis la dernière version? Et bien, lorsqu'un objet est modélisé à l'aide de Blender, on peut naturellement lui attribuer une quelconque couleur ambiante, spéculaire et diffuse; lorsque l'objet sera exporté en Wavefront et chargé grâce à mon API, ces paramètres définis à l'aide de Blender seront restaurés. Dès lors, il m'est possible de développer une application comportant divers objets 3D où la lumière est prise en compte pour le rendu (shading) - ce qui était déjà le cas auparavant -, mais où les variations de couleurs définies le sont également.

Vous devez peut être vous en douter: la prochaine étape est la prise en charge des textures.

Wait & See !

Développement d'une API 3D en C++

Après avoir acquis les bases nécessaires à la modélisation d'objets et de scènes 3D sous Blender, je me suis tout naturellement tourné vers le développement. En effet, mon apprentissage de Blender n'a pour seul but de concrétiser la création de mes propres personnages, objets et niveaux en 3D en vue de les inclure dans un jeu vidéo ou toute autre application en trois dimensions. Il m'était donc indispensable d'appréhender le développement d'applications 3D. Pour ne pas commencer par un trop gros projet, j'ai entrepris la programmation d'une API (Application Programming Interface) me permettant de lire et charger facilement en mémoire des objets 3D, tout en fournissant bien entendu la possibilité d'afficher ceux-ci à l'écran, sous diverses coutures et en appliquant moults fonctionnalités.

Constat: cela faisait longtemps que je ne m'étais pas autant amusé à programmer ! J'ai sélectionné une arme de premier choix: le C++, version orientée objet et optimisée du très célèbre langage C. J'avais déjà fait un peu de C++ par le passé, mais j'étais rouillé. Aujourd'hui, grâce à mes travaux, j'ai pu réapprendre à programmer avec ce langage, et même à améliorer mes connaissances et compétences. A l'heure actuelle, je n'ai rencontré aucun obstacle que je n'ai pu franchir en m'appliquant correctement tout en lisant didacticiels et références. En ce qui concerne les aspects 3D, j'utilise l'API OpenGL, bien sûr, vu qu'il est libre et qu'il se marie très bien avec le C++. Mais c'est aussi parceque j'avais déjà un peu d'expérience dans le domaine, je dois bien l'avouer. Mes études universitaires n'y sont pas pour rien.

Alors, cette interface de programmation, que diable fait-elle? Le fait est qu'OpenGL fournit un ensemble de fonctionnalités et routines procédurales et pas vraiment orientées objet. Or, ce dernier paradigme est crucial pour tout bon développeur qui se respecte (et pour tout bon logiciel, soit dit en passant). Dès lors, je me suis attellé à la création d'une API fournissant diverses classes d'objet C++ permettant de gérer les aspects 3D d'un programme. Ainsi, j'ai conçu des objets Vertex, des Face, des VertexNormal, des ShadedFace ou encore des WFObject (objets 3D chargés à partir d'un fichier Wavefront, d'extension .obj). Concrètement, il est ainsi possible de représenter un mesh 3D à partir de ces objets. Chaque mesh est composé d'un nombre défini de points dans l'espace, appellés vertices (le pluriel de vertex). Quatre vertices peuvent représenter une face, et un grand nombre de faces assemblées les unes aux autres forment un objet en trois dimensions. Plus il y a de faces, plus l'objet possède une géométrie agréable à regarder et proche de la réalité. L'API que j'ai développée permet ainsi de mettre facilement en musique tout ces concepts, de lire toutes les données requises pour la création d'un objet dans un fichier, et d'afficher l'objet en 3D à l'écran par le simple appel d'une méthode nommée draw().

Suite à de nombreuses lignes de code (et de nombreuses heures), j'ai pu représenter des objets 3D construits à partir de faces à 3 ou 4 points. Ces faces possèdent également des normales (vecteurs directeurs) permettant de définir correctement la diffusion de la lumière sur l'objet (cf la photo de cet article). Je peux donc désormais charger dans une application 3D de ma création, tout objet 3D conçu par mes soins via Blender. Voici déjà un premier pas franchi vers la création de logiciels 3D avancés, comme par exemple... des jeux vidéo!

Les prochaines étapes du développement de cette API sont la prise en charge des matériaux associés à l'objet (couleur diffuse, spéculaire, degré de brillance, etc.) ainsi que des textures et leurs coordonnées. Ensuite, je compte définir des bounding boxes sur mes objets afin de définir les limites de leur volume dans l'espace, ce qui permet d'appliquer un algorithme de détection de collisions !

Stay tuned, comme on dit.