Cinéma d'animation : simuler la peau, les cheveux et la fourrure, un défi

Le rendu de la peau et des cheveux pour les humains mais aussi celui de la fourrure pour les animaux constituent des défis majeurs de l'animation. Pourquoi sont-ils si difficiles à simuler et comment pallier ces problèmes ?

Comparer les cheveux des humains aux poils des animaux paraît assez intuitif, mais quel rapport avec la peau ? Pourtant, il existe au moins un point commun entre tous ces éléments : la lumière. La façon dont celle-ci interagit avec les multiples couches de la peau et les milliers de cheveux ou de poils est difficile à reproduire. Or, cela influence le réalisme des images de synthèse, ce qui est primordial pour certaines œuvres d'animation ou pour les films en prises de vues réelles. « Si on fait un film à effets spéciaux [pensons à nouveau aux Marvel et autres films de science-fiction], on intègre la créature dans un monde réel. Donc, il faut qu'elle soit réaliste », fait remarquer à Futura Thierry Brionnet, directeur pédagogique Cinéma 3D-FX et Music & Sound Design Isart Digital.

Dans le cinéma d’animation, il arrive que les personnages soient très « cartoonisés », mais que le réalisme de la peau et des cheveux soit recherché, comme ici dans Les Indestructibles 2 (2018). En particulier, le réalisme peut être dans le mouvement des cheveux, face au vent par exemple, ou encore dans l’interaction de la lumière avec la matière la peau et les cheveux, auquel cas on parle de photoréalisme. © The Walt Disney Company France

La simulation de la peau et du visage

Contrairement à ce qu'on pourrait penser, la simulation de la peau ne concerne pas que les humains, mais aussi beaucoup d'autres créatures. « Les premiers personnages, par exemple le TT-Rex de Jurassic Park (1993), avaient une peau assez grossière », se souvient Julien Duval, directeur de la photographiephotographie et enseignant à l'Esma. Par comparaison, un personnage récent comme la pieuvre dans Le Monde de Dory (2016) possède une texturetexture hyperréaliste qui « reproduit la rugosité et l'humidité de la peau d'une pieuvre », décrit Gilles Penso, réalisateur et journaliste pour L'Écran fantastique.

Pendant longtemps, c'est l'interaction entre la peau et la lumière qui a posé énormément de problèmes. Jusqu'à ce qu'on prenne en compte le fait qu'elle soit translucidetranslucide. « Si la peau est opaque, on a l'impression d'avoir des visages en plâtreplâtre », explique Julien Duval. Pour mieux simuler la peau humaine, les logicielslogiciels d'animation ont pu tirer parti de travaux en médecine sur le traitement par le laser des maladies cutanées. Ces recherches se sont en effet penchées sur la diffusion des rayons lumineux à l'intérieur de la peau.

Exemple de modélisation 3D d'un visage avant et après le rendu. © Laurent Wassouf, Esma

Plus généralement, des travaux ont été réalisés sur le subsurface scattering, c'est-à-dire la « propension de la lumière à entrer dans la matière, à rebondir sur les cellules ou les particules à l'intérieur, et éventuellement à ressortir à d'autres endroits », explique Julien Duval. Ainsi, dans la trilogie Le Seigneur des anneaux (2001-2003), le personnage de Gollum a été simulé en prenant en considération ce phénomène. « On voit bien que la lumière passe dans ses oreilles, que sa peau est translucide. À l'époque, la technologie [développée par le studio Weta] était encore très approximative. Le logiciel trichait, il recréait des petites lumières pour aller éclairer les zones que la lumière principale ne pouvait pas atteindre. »

Les algorithmes de subsurface scattering continuent d'être améliorés depuis. Parmi les développements récents, on peut citer le path-traced subsurface scattering, qui a été intégré au logiciel de rendu de Pixar pas plus tard que l'année dernière. Il permet de « simuler les chemins de lumière à l'intérieur d'un volumevolume dans lequel la lumière peut rebondir et ressortir », nous révèle Julien Duval. C'est une technologie qui marche extrêmement bien. Grâce à un tel outil, la lumière est plus réaliste, plus simple et parfois même plus rapide à simuler qu'auparavant. Cependant, « même avec des algorithmes aussi puissants, on est encore très loin de la vraie matière », tempère Julien Duval.

La peau est extrêmement complexe à simuler car elle est constituée de dizaines de couches, mais aussi parce qu'elle présente plein d'autres détails : « Le duvet, des poils très fins et très transparentstransparents, joue beaucoup sur l'aspect de la peau », rappelle Julien Duval, tout comme les rides, les bosses, les creux, les boutons, etc. On comprend ainsi pourquoi le visage humain est « ce qu'il y a de plus difficile à reproduire ». Pour rendre les simulations plus réalistes, les animateurs s'appuient là aussi sur des références humaines : « On prend beaucoup de photos, on scanne les visages... », explique Julien Duval.

La simulation des cheveux et de la fourrure

Pour un rendu réaliste des cheveux, de nombreux éléments doivent être pris en considération, dont le photoréalisme à nouveau, comme on l'a dit plus haut. Mais il faut également simuler les « collisions » entre les cheveux, ainsi qu'entre la chevelure et les épaules. La difficulté tient notamment au fait que les êtres humains possèdent au moins une centaine de milliers de cheveux. Pour donner un bon exemple, dans Final Fantasy : Les Créatures de l'esprit (2001), la simulation de la chevelure du personnage principal à elle seule a accaparé 80 % du temps de calcul... et elle n'était constituée « que » de 60.000 brins.

Diverses techniques ont été développées pour simuler les cheveux. « On peut avoir des cheveux faits avec des courbes, des massesmasses, des particules... », énumère Thierry Brionnet. Précisons qu'au début de l'animation, on ne savait pas recréer des cheveux, mais seulement « des sculptures qui leur ressemblent », nous apprend Julien Duval. Par exemple, une approche consiste à considérer l'ensemble de la chevelure comme un même volume, que l'on fait se comporter comme un fluide. Des phénomènes tirés de la dynamique des fluides entrent alors en jeu : il suffit de créer un vortexvortex pour simuler une boucle.

Un moyen pour modéliser les cheveux est de les considérer comme un fluide. Ici, il prend source en haut à droite de la tête. Le visage et les épaules sont des obstacles qui dévient ce fluide, tandis que les vortex placés par les animateurs permettent de créer des boucles. © Kelly Ward et al., IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 2010

Depuis peu, on arrive à traiter les cheveux comme des milliers de brins individuels. On peut les modéliser à l'aide de cylindres ou de petites courbes. Ils doivent interagir entre eux et avec la lumière, en fonction de leur structure interne et de leur pigmentationpigmentation : par exemple, un cheveu foncé est moins transparent à la lumière qu'un cheveu clair.

Pour les poils constituant la fourrure des animaux, c'est pareil. Ils sont nombreux et particulièrement fins. « On peut se retrouver avec plusieurs poils par pixelpixel », rapporte Julien Duval. Cela rend le calcul du rendu très complexe, notamment parce que les rayons de lumière doivent rebondir entre les milliers de poils. « Il y a souvent eu beaucoup de triche. Pour l'Âge de glace (2002), [le studio] a fait un rendu pour gérer la masse de poils en forme simplifiée. »

Dans un film comme L'Âge de glace, créer des animaux à la fourrure crédible est crucial puisqu'ils sont les personnages principaux. C'est aussi le cas par exemple pour le remake du Livre de la jungle (2016), où « 95 % des 250 animaux différents avaient de vrais poils ». Si on peut argumenter que Le Livre de la Jungle n'est pas un film d'animation, puisque certaines scènes ont été tournées en prises de vues réelles avec l'acteur jouant Mowgli, le remake du Roi lionlion (2019) entre bel et bien dans cette catégorie. Il est entièrement en images de synthèse, « même si le rendu est extrêmement photoréaliste », constate Julien Duval.