Une histoire du rendu 3D

De Sketchpad au rendu neuronal, soixante ans année par année

Le rendu, c'est l'art de transformer des nombres en image. Cette chronologie le suit année par année, d'un crayon optique au MIT jusqu'aux réseaux de neurones exécutés dans les shaders, avec les personnes, les publications, les films et les puces qui l'ont fait avancer.

Les pionniers (1963-1979)

Tout commence dans des laboratoires universitaires, surtout à l'université de l'Utah et au MIT, avec des problèmes qui définissent encore le domaine : ce qui est visible, de quelle couleur, et où va la lumière.

  1. 1963
    Sketchpad

    Thèse d'Ivan Sutherland au MIT : le premier programme graphique interactif, dessiné au crayon optique. La même année, Larry Roberts montre comment supprimer les lignes cachées d'un solide 3D.

  2. 1968
    Ray casting

    Arthur Appel (IBM) ombre des solides en lançant un rayon depuis l'œil à travers chaque pixel. C'est la graine de tous les moteurs de ray tracing à venir.

  3. 1970
    Rendu par lignes de balayage

    Bouknight et Watkins (Utah) résolvent la visibilité une ligne horizontale à la fois. C'est assez rapide pour être utilisable, et la méthode reste la référence pendant des années.

  4. 1971
    Ombrage de Gouraud

    Henri Gouraud interpole la couleur sur un polygone à partir de ses sommets. Les surfaces courbes paraissent lisses avec très peu de polygones.

  5. 1972
    A Computer Animated Hand

    Ed Catmull et Fred Parke animent le modèle numérisé de la main de Catmull : l'un des tout premiers films d'animation 3D par ordinateur.

  6. 1974
    Z-buffer et placage de texture

    La thèse de Catmull apporte une valeur de profondeur par pixel et des images plaquées sur les surfaces (Wolfgang Straßer propose le tampon de profondeur de son côté). Le Z-buffer est toujours dans tous les GPU.

  7. 1975
    Ombrage de Phong et théière de l'Utah

    Bui Tuong Phong interpole les normales par pixel et ajoute un modèle de reflet spéculaire. Martin Newell modélise une théière qui devient l'objet de test du domaine.

  8. 1976-1978
    Cartes de réflexion, de relief et d'ombre

    Blinn et Newell introduisent le mapping de réflexion (1976), Blinn ajoute le bump mapping (1978) et Lance Williams publie les shadow maps (1978). Des astuces peu coûteuses, toutes encore utilisées.

  9. 1977
    La tranchée de l'Étoile de la Mort

    Star Wars contient quelques secondes d'images de synthèse vectorielles en fil de fer signées Larry Cuba : l'image de synthèse arrive sur grand écran.

L'ère du photoréalisme (1980-1989)

Les mathématiques du transport de la lumière sont posées. L'essentiel de ce que fait un moteur de rendu moderne est défini pendant cette décennie, bien avant que le matériel puisse l'exécuter.

  1. 1980
    Ray tracing récursif

    Turner Whitted (Bell Labs) suit les rayons à travers miroirs et verre, ajoutant reflets, réfractions et ombres à un seul algorithme. Une seule image prend des heures.

  2. 1981
    Silicon Graphics

    Jim Clark et ses collègues fondent SGI autour du Geometry Engine. Ses stations de travail dominent la 3D professionnelle pendant une quinzaine d'années.

  3. 1982
    Tron et la séquence Genesis

    Tron mélange image de synthèse et prises de vues réelles, et la division informatique de Lucasfilm réalise l'effet Genesis pour Star Trek II : terrain fractal et systèmes de particules dans un long métrage.

  4. 1984
    Radiosité et ray tracing distribué

    Goral et ses collègues à Cornell empruntent des équations de transfert thermique pour calculer la lumière diffuse rebondissant entre les surfaces. Chez Lucasfilm, Cook, Porter et Carpenter échantillonnent les rayons pour obtenir flou de mouvement, profondeur de champ et ombres douces.

  5. 1986
    L'équation du rendu

    James Kajiya écrit le transport de la lumière comme une seule intégrale et la résout par échantillonnage Monte Carlo : le path tracing. La même année, Pixar devient une société indépendante.

  6. 1987
    Reyes

    Cook, Carpenter et Catmull décrivent l'architecture Reyes : les surfaces sont découpées en micropolygones, ombrées, puis échantillonnées. Elle devient le cœur de RenderMan.

  7. 1988
    RenderMan et Tin Toy

    Pixar publie la RenderMan Interface Specification. Tin Toy devient le premier film d'animation par ordinateur à remporter un Oscar.

  8. 1989
    Abyss

    Le pseudopode d'eau d'ILM est une créature de synthèse qui s'intègre de façon crédible à des prises de vues réelles, et l'industrie des effets spéciaux en prend note.

Studios, ordinateurs de bureau et premières cartes 3D (1990-1999)

Le cinéma montre ce que la synthèse peut faire, pendant que des logiciels abordables et du matériel grand public mettent la 3D entre les mains de millions de personnes.

  1. 1990
    3D Studio et LightWave

    3D Studio d'Autodesk sur PC et LightWave de NewTek sur Amiga (avec le Video Toaster) rendent la production 3D possible avec un budget de bureau.

  2. 1991
    Terminator 2

    Le T-1000 en métal liquide place un personnage de synthèse en morphing au milieu d'un film en prises de vues réelles.

  3. 1992
    OpenGL 1.0 et Wolfenstein 3D

    SGI publie OpenGL, la première API graphique multiplateforme largement adoptée. Sur PC, Wolfenstein 3D utilise le ray casting pour dessiner des couloirs en temps réel.

  4. 1993
    Doom et Jurassic Park

    Doom utilise des arbres BSP et des murs texturés pour faire tourner un monde d'apparence 3D crédible sur des PC ordinaires. Jurassic Park montre des animaux de synthèse photoréalistes au cinéma.

  5. 1995
    Toy Story

    Pixar sort le premier long métrage entièrement en images de synthèse, rendu avec RenderMan.

  6. 1996
    Quake, 3dfx Voodoo, Direct3D et Houdini

    Quake est un vrai moteur 3D polygonal avec des lightmaps. La carte 3dfx Voodoo apporte l'accélération matérielle aux PC domestiques, et Microsoft livre Direct3D avec DirectX 2. SideFX sort Houdini.

  7. 1998
    Maya et Unreal

    Alias|Wavefront sort Maya, qui devient la référence des studios pour l'animation. Unreal d'Epic est livré avec un éditeur et des scripts, un premier signe du moteur comme produit.

  8. 1999
    GeForce 256

    NVIDIA vend la GeForce 256 comme le premier « GPU » : la transformation et l'éclairage passent du processeur à la puce graphique.

L'ère des shaders programmables (2000-2009)

Le pipeline fixe s'ouvre. Artistes et programmeurs peuvent désormais écrire le code qui ombre chaque pixel.

  1. 2001
    GeForce 3 et DirectX 8

    Le premier GPU grand public avec vertex shaders et pixel shaders programmables. Final Fantasy : Les Créatures de l'esprit tente un casting entièrement photoréaliste en synthèse.

  2. 2002
    Cg, Radeon 9700 et Blender

    NVIDIA publie le langage de shaders Cg et la Radeon 9700 d'ATI apporte le calcul de pixels en virgule flottante. Blender devient open source.

  3. 2003
    OpenEXR

    ILM publie OpenEXR, un format d'image HDR en virgule flottante qui devient le standard d'échange de l'industrie du cinéma.

  4. 2004
    Doom 3, Half-Life 2 et Far Cry

    Le normal mapping et l'éclairage par pixel se généralisent : ombres dynamiques en stencil dans Doom 3, physique et animation faciale dans Half-Life 2, végétation luxuriante en extérieur dans Far Cry.

  5. 2005
    Unity

    Unity est lancé lors de la conférence développeurs d'Apple, comme moteur réservé au Mac. Son prix bas et son approche centrée sur l'éditeur ouvriront le développement de jeux à un public bien plus large.

  6. 2006
    Shaders unifiés et Arnold

    La GeForce 8800 unifie le traitement des sommets et des pixels en cœurs de shaders polyvalents. Monster House est le premier long métrage rendu avec le path tracer Arnold.

  7. 2007
    CUDA et Crysis

    CUDA ouvre le GPU au calcul généraliste, et Crysis devient le benchmark qui met à genoux les PC de jeu.

  8. 2008
    OpenCL

    Le Khronos Group publie OpenCL 1.0, une réponse indépendante des constructeurs à CUDA.

  9. 2009
    Avatar

    La caméra virtuelle et la capture de performance faciale de Weta Digital changent la façon de mettre en scène et de tourner un monde de synthèse.

La révolution PBR (2010-2017)

Studios et développeurs de jeux convergent vers des matériaux qui respectent la conservation de l'énergie : un métal ressemble à un métal sous n'importe quelle lumière.

  1. 2010
    Cours sur l'ombrage physique

    Le cours SIGGRAPH sur l'ombrage physiquement réaliste en production de films et de jeux établit un vocabulaire commun entre les deux mondes.

  2. 2011
    Cycles et la démo Samaritan

    Blender reçoit Cycles, un path tracer. À la GDC, la démo Samaritan d'Epic montre à quoi pourrait ressembler la prochaine génération d'éclairage temps réel.

  3. 2012
    Le BRDF « principled » de Disney

    Brent Burley présente un modèle de matériau pensé pour les artistes, avec quelques paramètres intuitifs. Il est adopté par toute l'industrie en quelques années.

  4. 2013
    Monstres Academy

    Pixar passe pour la première fois à l'illumination globale par lancer de rayons, mettant fin à des années de lumières d'appoint placées à la main.

  5. 2014
    Unreal Engine 4, Les Nouveaux Héros et Substance Painter

    UE4 sort avec le PBR par défaut. Le path tracer Hyperion de Disney rend tout un long métrage. Substance Painter met le texturing PBR à la portée de tous. L'Académie publie aussi ACES 1.0 pour la gestion de la couleur.

  6. 2015
    Unity 5

    Unity 5 introduit un Standard Shader physiquement réaliste et l'illumination globale temps réel, faisant du PBR le choix par défaut des développeurs indépendants.

  7. 2016
    Vulkan et OpenUSD

    Vulkan 1.0 offre un contrôle bas niveau et multiplateforme du GPU. Pixar publie en open source Universal Scene Description, le format qui va relier les outils de création et les moteurs de rendu.

  8. 2017
    MaterialX

    ILM publie MaterialX en open source, une façon de décrire un matériau une fois pour le rendre dans n'importe quel moteur compatible.

Ray tracing temps réel et rendu neuronal (2018-aujourd'hui)

Le ray tracing tourne sur du matériel grand public, et l'apprentissage automatique commence à remplacer des morceaux du pipeline.

  1. 2018
    RTX, DXR et Star Wars Reflections

    Les GPU Turing de NVIDIA ajoutent des cœurs dédiés au ray tracing et Microsoft livre l'API DXR. Epic, ILMxLAB et NVIDIA montrent une scène Star Wars en ray tracing à la GDC, et Battlefield V est le premier jeu avec des reflets RTX.

  2. 2019
    Control, Quake II RTX et Eevee

    Control montre ce que des effets combinés en ray tracing apportent à un jeu moderne, Quake II RTX tourne entièrement en path tracing, et Blender 2.80 introduit le moteur temps réel Eevee.

  3. 2020
    NeRF, Nanite et Karma

    Les Neural Radiance Fields reconstruisent une scène à partir de photos avec un réseau de neurones. La démo Lumen in the Land of Nanite d'Epic tourne sur PlayStation 5, et SideFX intègre son propre moteur Karma à Houdini.

  4. 2021
    Omniverse

    NVIDIA rend Omniverse disponible : une plateforme de collaboration bâtie sur USD, avec des viewports en path tracing.

  5. 2022
    Unreal Engine 5 et Instant NeRF

    Unreal Engine 5.0 sort avec la géométrie virtualisée Nanite et l'illumination globale dynamique Lumen. Instant NeRF de NVIDIA réduit l'entraînement de plusieurs heures à quelques secondes, et le DLSS 3 ajoute la génération d'images par IA.

  6. 2023
    Gaussian Splatting et path tracing complet

    Le 3D Gaussian Splatting reconstruit et rend des scènes capturées en temps réel. Cyberpunk 2077 ajoute un mode de path tracing complet, le DLSS 3.5 débruite les rayons par IA, et l'Alliance for OpenUSD est fondée.

  7. 2025
    Shaders neuronaux dans le matériel

    La série RTX 50 de NVIDIA expose de petits réseaux de neurones au code des shaders : matériaux et textures peuvent être compressés ou approximés par des modèles appris.

Les standards actuels de l'industrie

StandardDomaineDescription
USDScèneUniversal Scene Description (Pixar) - un format d'échange de scènes
MaterialXMatériauxUn format ouvert de description de matériaux
OpenEXRImagesUn format d'image HDR haute précision (ILM)
ACESCouleurAcademy Color Encoding System - gestion de la couleur au cinéma
HydraRenduUn cadre de délégation de rendu (Pixar)
OpenPBRMatériauxUne spécification PBR unifiée (Adobe/Autodesk)
glTF3D pour le webUn format 3D optimisé pour le web (Khronos)

Pour les techniques derrière ces jalons, voir L'évolution des techniques de rendu ; pour le côté studios et matériel, Pixar, NVIDIA et SideFX : 30 ans de technologie de rendu.