Les textures en 3D - 1.1 Réflexion spéculaire

La réflexion spéculaire (specular reflection) est la réflexion de la lumière sur une surface, de manière similaire à la réflexion sur un miroir. La lumière qui arrive à la surface de l'objet (lumière incidente) avec un angle (angle incident) rebondit sur l'objet et repart (lumière réfléchie) dans une autre direction qui fait le même angle (angle de réflexion) par rapport à la perpendiculaire à la surface (c'est la loi de la réflexion en physique).


Les matières qui présentent un forte réflexion spéculaire sont les matières brillantes (glossy en anglais) : peintures de voitures, bois vernis, etc. C'est aussi le cas de la sueur sur le visage que les coquets ou les présentateurs TV cherchent à faire disparaître avec du maquillage mat.

Couleurs des reflets

La plupart du temps, la lumière réfléchie conserve sa couleur d'origine, c'est-à-dire la couleur de la source, et ne tient pas compte de la couleur de l'objet (d'où vient-elle cette couleur d'ailleurs, nous le verrons plus tard !). C'est dû au fait que la plupart des matériaux brillants ont une très fine couche transparente en surface au dessus de la couche matérielle qui donne les pigments de la couleur. Par exemple, les plastiques brillants qui sont des perles de couleurs maintenues dans un polymère neutre, ou bien la surface de la peau humaine qui présente une fine pellicule d'huile au dessus des pigments de la peau.

Par contre, si le matériel est métallique, cette fine couche n'existe pas et la lumière prend la couleur du matériau comme pour la lumière diffuse (on ne l'a pas vu celle-là, c'est au chapitre suivant !)

Miroir, ô mon miroir

Lorsque le matériel est un réflecteur parfait, comme un miroir, la lumière donne une image réfléchie parfaite. Mais si le matériel présente quelques imperfections, la réflexion est un peu perturbée et l'image réfléchie est floue (blurred reflection).

Surbrillance

Pour un observateur (vos yeux dans la réalité, la caméra dans le cas d'un rendu d'image), la réflexion spéculaire n'est pas visible tout le temps, il faut des conditions géométriques particulières. Pour être visible, la perpendiculaire à la surface de l'objet doit être exactement à mi-chemin entre la direction de la lumière incidente et la direction de l'observateur.

C'est pourquoi la réflexion spéculaire crée des tâches de surbrillance (highlight) qui sont l'image miroir de la source de lumière. C'est le cas des objets très bien polis comme les boules de billard. Ces tâches sont donc systématiquement orientées vers la source de lumière qui les produit.

Mais il y a aussi des cas où cette image n'est pas nette et présente des bords flous plus ou moins diffus. Cela est dû au fait que la surface de l'objet n'est pas totalement lisse et présente des petites bosses (appelées micro-facettes) qui sont a peu près dans la même direction mais pas tout à fait. Alors, la réflexion de la lumière n'est plus parfaite et le mélange des différents angles de réflexion brouille la délimitation de la tâche lumineuse.

Anisotropie

Non, ce n'est pas un gros mot ! Iso, en grec, veut dire même et -trope veut dire direction. An- est un suffixe qui qualifie un antonyme, c'est-à-dire le contraire du mot.

Lorsque la surface de l'objet est globalement régulière dans toutes les directions, la réflexion spéculaire se fait de manière similaire dans toutes les directions. On parle alors de réflexion isotrope (isotropic).

Mais si la surface de l'objet présente des différences selon la direction de la surface, on a des réflexions différentes et on parle alors de réflexion anisotrope (anisotropic - tous les mots savants de l'anglais viennent aussi du grec ou du latin). Les tâches de surbrillance ont alors tendance à s'allonger dans le sens privilégié par la surface du matériau. C'est le cas par exemple de l'acier brossé mais aussi des cheveux, perçus comme un objet global et pour lequel chaque cheveu "guide" la réflexion de la lumière selon les mèches de cheveux.  


Modèles de diffusion spéculaire

Lorsque les éditeurs de logiciels de rendu ont cherché comment faire pour simuler la réflexion spéculaire de la lumière, ils ont produit des modèles mathématiques, avec de belles formules, qui sont censés reproduire ce que fait la lumière à la surface d'un objet.

C'est pourquoi dans certaines applications (notamment Blender ou Poser), vous verrez apparaître des termes comme : Phong, Blinn, Ward ou Cook-Torrance. Ce sont les noms des personnes qui ont produit des modèles mathématiques que les éditeurs de logiciels ont codés dans leurs applications. Selon le modèle adopté, la réflexion spéculaire calculée dans l'image varie ; nous verrons plus tard en détail certains de ces modèles, d'un point de vue pratique bien sûr.


Réflexion métallique

Certains matériaux sont dits métalliques. D'un point de vue physique, ces matériaux, qui conduisent l'électricité, contiennent en fait des électrons libres qui peuvent vibrer en harmonie avec les champs électromagnétiques, et la lumière est une onde électromagnétique. Ce phénomène va donner aux matériaux métalliques un pouvoir de réflexion supérieur, ce qui se traduit par un effet de miroir y compris dans les zones qui ne sont pas directement exposées à la source de lumière.

Le matériau est alors réfléchissant sur toute sa surface. Les tâches spéculaires subsistent mais tout l'environnement se reflète également sur l'objet.

Autres chemins de la lumière

Toute la lumière qui arrive sur une surface n'est pas forcément réflechie selon une réflexion spéculaire : elle peut être absorbée par le matériau, être réfléchie de manière diffuse ou traverser le matériau. Nous verrons ces autres chemins dans les chapitres suivants.