La rastérisation : le cœur du rendu 3D sur les cartes graphiques

La rastérisation est l'une des méthodes clés par lesquelles une carte graphique transforme une scène 3D d'un jeu ou d'une application en une image 2D affichée à l'écran. Dans un univers 3D composé de modèles, de surfaces et de millions de triangles, l'écran ne peut afficher qu'une grille de pixels colorés.

Lors du rendu, le GPU détermine la position des objets par rapport à la caméra, les projette sur l'écran, identifie les pixels qu'ils occupent, puis calcule leur couleur en tenant compte des matériaux, textures, éclairages et autres effets. Ce processus permet de convertir en une fraction de seconde la description mathématique d'un monde virtuel en une image prête à être affichée.

Malgré le développement du ray tracing et du path tracing, la rastérisation reste le fondement de la graphique informatique et s'utilise dans presque tous les jeux modernes grâce à sa rapidité et son efficacité.

Qu'est-ce que la rastérisation, simplement ?

La rastérisation est le processus qui consiste à convertir les objets géométriques d'une scène 3D en une série d'éléments qui composeront l'image sur l'écran. En d'autres termes, la carte graphique prend les objets virtuels faits de polygones et détermine quelles parties de l'écran ils doivent recouvrir.

La plupart des modèles 3D dans les jeux sont faits de nombreux triangles. Même si un personnage, une voiture ou un bâtiment semble complexe et arrondi, leur surface peut être représentée par un grand nombre de petits triangles.

L'écran, lui, ne sait pas afficher des triangles ou des coordonnées 3D directement. Il ne montre qu'une grille 2D de pixels. Avant d'afficher l'image, la carte graphique doit donc définir où chaque triangle apparaît par rapport à la caméra et quelle zone de l'écran il occupe.

C'est à ce moment que commence la rastérisation. Après la projection de la géométrie sur le plan 2D, le GPU identifie quels pixels sont à l'intérieur de chaque triangle. Pour ces zones, il crée des fragments - des données à partir desquelles seront calculés la couleur, la texture, l'éclairage et d'autres paramètres visuels.

Il ne faut pas confondre la rastérisation avec l'ensemble du processus de rendu. Le rendu inclut de nombreuses étapes : traitement de la géométrie, exécution des shaders, vérification de la profondeur, éclairage, et génération de l'image finale. La rastérisation n'est qu'une étape, mais c'est elle qui relie la géométrie 3D à la grille 2D de l'écran.

Dans les jeux, la rastérisation est utilisée avant tout pour sa rapidité. Les GPU modernes traitent en parallèle un grand nombre de triangles et de fragments, ce qui permet de transformer une scène complexe en image prête des dizaines, voire des centaines de fois par seconde.

Comment la carte graphique transforme une scène 3D en image

De quoi se compose une scène 3D ?

Pour la carte graphique, le monde du jeu est un ensemble de données, pas une image finie. Les objets sont décrits par des sommets avec des coordonnées dans l'espace, reliés en triangles. Le moteur transmet aussi des informations sur les matériaux, les textures, les sources lumineuses et la position de la caméra.

Même un modèle de personnage complexe peut être composé de dizaines, voire de centaines de milliers de triangles. Plus il y a de triangles, plus la forme de la surface sera précise, mais plus le GPU devra en traiter.

Avant la rastérisation, la carte graphique doit déterminer la position de chaque sommet par rapport à la caméra. Les objets peuvent être déplacés, tournés ou redimensionnés, donc leurs coordonnées sont transformées du repère local du modèle vers celui de la scène, puis selon la caméra virtuelle.

Comment les coordonnées 3D deviennent une image à l'écran

Après avoir déterminé la position des objets, le GPU réalise la projection. Celle-ci convertit les coordonnées 3D en coordonnées 2D sur l'écran, tout en conservant la notion de profondeur. Grâce à la projection en perspective, les objets éloignés paraissent plus petits, les proches plus grands, comme dans la réalité ou sur une photo.

Il n'est pas utile pour la carte graphique de traiter toute la géométrie de la même façon. Les triangles entièrement hors du champ de la caméra peuvent être éliminés. Une partie de la géométrie à la limite du cadre est tronquée, pour que seuls les éléments visibles soient traités par la suite.

Les moteurs et les GPU évitent aussi de gaspiller des ressources sur des surfaces invisibles : par exemple, la face arrière d'un objet fermé peut être ignorée avant même le calcul des pixels.

Après ces étapes, chaque triangle restant a une position précise sur le plan 2D de l'image à venir. La carte graphique peut alors procéder à la rastérisation et déterminer quelles zones de l'écran sont couvertes par ce triangle.

L'architecture parallèle du GPU permet d'effectuer ces opérations sur un très grand nombre de sommets et d'autres données graphiques en même temps. Pour en savoir plus sur les unités de calcul des cartes NVIDIA, consultez l'article Qu'est-ce que les cœurs CUDA dans les cartes graphiques NVIDIA ? Comprendre leur rôle et l'impact sur les performances GPU.

Comment la rastérisation transforme les triangles en pixels

Pourquoi la carte graphique travaille-t-elle avec des triangles ?

Le triangle est la plus petite figure géométrique qui définit toujours un plan unique. Trois sommets ne peuvent pas être placés de façon à ce que la surface entre eux soit ambiguë, ce qui rend ce type de géométrie simple et rapide à traiter sur un GPU.

Pratiquement toutes les formes complexes peuvent être décomposées en triangles. Une sphère, une carrosserie de voiture, un visage de personnage ou un vaste environnement de jeu sont finalement présentés à la carte graphique comme un ensemble de primitives simples.

Quels pixels appartiennent à un triangle ?

Après la projection du triangle sur l'écran commence la rastérisation proprement dite. Le GPU détermine quels points de la grille de l'écran se trouvent à l'intérieur de ses limites. Sur cette base, il crée des fragments - des candidats pour les futurs pixels de l'image.

Il ne suffit pas à la carte graphique de savoir qu'un point appartient au triangle : elle doit aussi calculer les paramètres de surface à cet endroit : profondeur, coordonnées de texture, direction de la normale, etc.

Ces valeurs sont interpolées entre les sommets. Par exemple, si chaque sommet du triangle a ses propres coordonnées de texture, le GPU calcule les coordonnées intermédiaires pour tous les fragments. Cela permet d'appliquer une texture de manière fluide sur la surface du modèle, sans avoir à définir chaque pixel individuellement.

Comment les shaders déterminent la couleur des pixels

Après la rastérisation, les fragments obtenus passent à l'étape suivante. C'est là qu'intervient le shader de pixel (ou shader de fragment) - un petit programme qui définit l'apparence visuelle de la surface.

Le shader peut lire la couleur depuis une texture, tenir compte des propriétés du matériau, de la direction de la lumière, des normales de surface, des réflexions et de nombreux autres paramètres. Au final, chaque fragment se voit attribuer une couleur définitive.

Le processus peut être beaucoup plus complexe qu'une simple lecture de texture. Les jeux modernes utilisent des cartes de normales, des matériaux physiquement réalistes, plusieurs sources lumineuses, des ombres et de la post-traitement. Mais le principe demeure : la rastérisation définit où se trouve la géométrie à l'écran, les shaders décident de son apparence.

Pour mieux comprendre pourquoi les shaders sont parfois compilés avant de lancer un jeu, lisez l'article Compilation des shaders sur PC : pourquoi et comment ça fonctionne.

Le pipeline graphique du GPU : que se passe-t-il lors d'un rendu ?

La rastérisation n'est qu'une étape d'un processus plus vaste, le pipeline graphique. Pendant la génération d'une image, les données passent par plusieurs phases successives : du traitement de la géométrie 3D à l'écriture des couleurs définitives dans la mémoire tampon de l'image.

Le moteur de jeu transmet d'abord à la carte graphique les informations sur la scène : géométrie des objets, textures, matériaux, position de la caméra, etc. Le GPU traite ensuite les sommets des modèles et transforme leurs coordonnées selon la position des objets et du joueur.

L'étape suivante consiste à assembler les primitives : les sommets sont regroupés en triangles, puis une partie de la géométrie peut être éliminée. Par exemple, si un triangle est entièrement hors du champ de vision, il n'est plus traité.

La géométrie restante est envoyée au rastérisateur. Celui-ci détermine la zone de l'écran occupée par chaque triangle et crée des fragments pour les pixels correspondants. Les shaders de fragment calculent alors leur apparence, en tenant compte des textures, matériaux et éclairages.

Mais la présence d'un fragment ne signifie pas forcément qu'il apparaîtra dans l'image finale. Plusieurs objets peuvent se superposer sur la même zone de l'écran. Pour savoir quelle surface est la plus proche de la caméra, on utilise le z-buffer (tampon de profondeur). Si une autre surface est devant, le fragment caché n'est pas affiché.

Après toutes les vérifications, la couleur calculée est écrite dans le tampon d'image. C'est à partir de ce tampon que l'image affichée sur le moniteur est générée.

Avec les API graphiques modernes, les développeurs disposent d'un contrôle bas niveau sur l'organisation du travail du GPU et l'envoi des commandes graphiques. Pour en savoir plus, consultez l'article Vulkan vs DirectX 12 : quelle API graphique choisir pour vos jeux ?.

Ce processus est répété pour chaque image. À 60 FPS, la carte graphique doit parcourir l'ensemble du pipeline environ 60 fois par seconde, et à 144 FPS, 144 fois. Ainsi, la vitesse de traitement de la géométrie, de la rastérisation et des shaders influence directement les performances des jeux.

Rastérisation et ray tracing : quelles différences ?

La rastérisation et la tracé de rayons (ray tracing) ont le même objectif : générer une image à partir d'une scène 3D, mais emploient des méthodes radicalement différentes. Avec la rastérisation, la carte graphique part de la géométrie et détermine quelles zones de l'écran chaque triangle recouvre.

Le ray tracing fonctionne autrement. Plutôt que de transformer la géométrie en fragments d'écran, l'algorithme simule le trajet des rayons lumineux dans la scène virtuelle. Un rayon peut croiser des objets, se réfléchir sur des surfaces, ou intervenir dans le calcul des ombres et de l'éclairage.

Cette méthode permet de calculer plus naturellement de nombreux effets optiques. Par exemple, les réflexions tiennent compte des objets autour, et les ombres de la position de la lumière et de la géométrie de la scène. En rastérisation classique, des techniques spécifiques ou des données pré-calculées sont souvent utilisées pour obtenir un rendu similaire.

L'avantage principal de la rastérisation reste la performance. Les GPU sont optimisés depuis des décennies pour traiter d'immenses quantités de triangles, et de nombreuses étapes du pipeline sont parallélisées. Ainsi, la carte graphique peut générer des images à haute fréquence même dans des scènes très complexes.

Le ray tracing nécessite bien plus de calculs, car il faut analyser les intersections entre rayons et géométrie. C'est pourquoi il est rare de se passer entièrement de la rastérisation dans les jeux modernes. Les développeurs optent souvent pour un rendu hybride.

La scène principale est alors construite par rastérisation, tandis que le ray tracing est réservé aux zones où il améliore nettement l'image : réflexions, ombres ou éclairage global. Cette approche combine la rapidité du rendu classique avec des effets lumineux plus réalistes.

Le path tracing est une variante encore plus exigeante, simulant le comportement de la lumière de façon bien plus complète. Pour en savoir plus, consultez l'article Path Tracing dans les jeux : nouvelle révolution graphique ?.

Conclusion

La rastérisation transforme une scène 3D en image par un traitement séquentiel de la géométrie. La carte graphique reçoit des sommets et des triangles, les transforme selon la caméra, les projette sur l'écran et détermine quelles zones de l'image chaque objet occupe. Les shaders calculent ensuite l'apparence des surfaces, tandis que la profondeur permet de n'afficher que les fragments visibles.

La principale force de la rastérisation est sa rapidité. Les GPU modernes peuvent traiter en parallèle un nombre colossal de données géométriques et répéter ce processus des dizaines ou centaines de fois par seconde. C'est pourquoi cette technologie reste la base du rendu dans la plupart des jeux, malgré l'arrivée de méthodes plus avancées.

Le ray tracing et le path tracing élargissent les possibilités graphiques et permettent de simuler la lumière avec plus de réalisme, mais exigent beaucoup plus de puissance de calcul. En pratique, la combinaison des deux technologies est la plus efficace : la rastérisation construit rapidement la scène principale, tandis que le ray tracing apporte des ombres, des réflexions et un éclairage plus réaliste là où c'est nécessaire.