Caustiques et réfractions : les effets qui rendent le verre réel

Ce qu'est une caustique

Une caustique est la concentration de lumière produite quand des rayons sont déviés par une surface courbe, par réflexion ou par réfraction, et convergent (Wikipédia, Caustic (optics)). La lumière traverse un flacon, se courbe, et se rassemble en motifs lumineux sur la surface qui le porte. Le fond d'une piscine, l'anneau brillant au fond d'une tasse, les reflets colorés d'un flacon de parfum sur un marbre : ce sont des caustiques.

La réfraction, point de départ

Quand la lumière passe d'un milieu à un autre, de l'air au verre par exemple, elle change de direction. La loi de Snell-Descartes relie cette déviation aux indices de réfraction des deux milieux (Wikipédia, loi de Snell-Descartes). En 3D, tout part de cet indice : autour de 1,33 pour l'eau, autour de 1,5 pour la plupart des verres, 2,42 pour le diamant (RefractiveIndex.INFO). Une valeur fausse se voit immédiatement : le verre paraît plastique, la gemme paraît en verre.

Les trois erreurs qui trahissent la 3D

Le verre sans épaisseur. Un flacon modélisé comme une simple coque fine ne réfracte presque pas. Un vrai flacon a des parois épaisses, un fond massif, parfois plusieurs centimètres de verre : c'est cette épaisseur qui crée les déformations et les caustiques reconnaissables.

Le liquide confondu avec le verre. Le jus d'un parfum est un volume distinct, avec son propre indice et sa propre absorption. La couleur doit venir de l'épaisseur traversée, plus dense au centre qu'au bord, et non d'une teinte posée sur la surface.

L'ombre grise. Sous un objet transparent, l'ombre n'est jamais simplement grise : elle est traversée de lumière concentrée et souvent colorée. Remplacer les caustiques par une ombre adoucie est le raccourci le plus visible de l'image de synthèse.

La dispersion, ou le feu des gemmes

L'indice de réfraction varie légèrement selon la longueur d'onde : le bleu est plus dévié que le rouge. C'est la dispersion, qui décompose la lumière blanche en couleurs, comme dans un prisme (Wikipédia, Dispersion (optics)). Dans un diamant, elle produit le « feu », ces éclats colorés qui changent avec le mouvement. Un moteur qui ne gère pas la dispersion, ou une dispersion désactivée, donne des gemmes justes mais mortes.

Calculer les caustiques : le prix de la justesse

Les caustiques sont parmi les effets les plus coûteux à calculer. En path tracing, la lumière doit trouver un chemin qui traverse le verre, se réfracte et atteint la surface éclairée : ces chemins sont rares, donc bruités, et demandent beaucoup d'échantillons. Selon les moteurs, on dispose d'options dédiées ou de techniques complémentaires ; le choix du moteur pèse lourd, comme le détaille l'outil de choix du moteur de rendu.

Mes réglages de départ : une lumière principale petite et intense (une source large dilue les caustiques), des indices calibrés sur des valeurs mesurées, des parois modélisées à leur vraie épaisseur, et un débruitage utilisé avec retenue pour ne pas effacer les motifs lumineux les plus fins.

Quand tricher, et comment

Toutes les images n'ont pas besoin de caustiques calculées. Pour un plan rapide ou un format social, une caustique projetée (une texture lumineuse animée) peut suffire, à condition d'être cohérente avec la forme de l'objet et la direction de la lumière. La règle : tricher sur ce que l'œil ne vérifiera pas, jamais sur ce qui fait la signature du produit. Sur un flacon de parfum en gros plan, les caustiques sont la signature.

Pour aller plus loin sur les matières, voir le pipeline motion design 3D et le guide de l'animation 3D cosmétique.

Questions fréquentes

Quel indice de réfraction utiliser pour le verre en 3D ?
Autour de 1,5 pour la plupart des verres, 1,33 pour l'eau et 2,42 pour le diamant, d'après les tables de référence comme RefractiveIndex.INFO.

Pourquoi mon verre en 3D a-t-il l'air faux ?
Le plus souvent : un flacon modélisé sans épaisseur, un liquide confondu avec le verre, ou une ombre grise à la place des caustiques.

Les caustiques ralentissent-elles le rendu ?
Oui : ce sont des chemins de lumière rares, donc bruités, qui demandent beaucoup d'échantillons. Une lumière petite et intense aide à les faire converger.

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