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La 3D pour le jeu vidéo avec Blender

Une introduction à la production d'objets pour les jeux vidéo

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Vous avez un projet de jeu vidéo, mais vous débutez en 3D ? Vous êtes un habitué de la modélisation mais les textures vous font peur ? Vous êtes simplement curieux de découvrir les méthodes des pros ?

Ce cours est fait pour vous ! A travers un objet d'exemple, nous allons voir pas à pas comment un élément de jeu vidéo est créé aujourd'hui. Le cours s'appuie sur le modeleur libre Blender et nécessitera également l'usage d'un logiciel de retouche d'image tel que Adobe Photoshop ou GIMP.

L'exemple de ce cours ; les talents artistiques de l'auteur seront excusés

A propos du cours

Ce cours se veut simple et accessible. L'objectif est de vous apprendre une méthode typique pour réaliser un objet de jeu vidéo, à travers un exemple.

Voici ce que ce cours n'est pas :

  • un cours de modélisation ;
  • un guide pas-à-pas qui vous rappelle le détail des opérations ;
  • un cours universel pour créer tous les objets possibles ;
  • une encyclopédie qui explique tout.

On va voir ici des techniques très modernes puisque le cours se base sur la technologie du Physically Based Rendering. Un moteur de jeu récent comme Unreal Engine 4, CryEngine 3 ou Unity 5 est indispensable ici. Le monde du logiciel libre ne propose pas encore ce stade d'évolution technique.

Une connaissance basique de Blender est requise : modélisation simple, modifiers et UV mapping. De nombreux cours de qualité existent sur ce sujet, à commencer par celui-ci.

Introduction : le Physically Based Rendering

Pour commencer ce cours, faisons le point sur la technologie.

Votre ordinateur est équipé d'un processeur sur lequel s'exécutent des programmes, mais il dispose également d'un processeur graphique, le GPU, sur votre carte graphique. Ce GPU accueille également des programmes : on les appelle les shaders, et ils produisent les pixels à l'écran à partir d'objets 3D, de textures et de paramètres divers.

Les shaders sont difficiles à réaliser et doivent être écrits par un programmeur spécialisé, c'est une tâche assez pénible qu'on cherche à éviter. Aujourd'hui, on préfère donc laisser des programmes générer ces shaders automatiquement à partir d'une définition, le matériau. Un matériau est un ensemble de paramètres qui peuvent être manipulés directement par un artiste, sans écrire de code, pour contrôler l'aspect d'une surface.

Un matériau dans Unreal Engine 4

Dans les années 2000, les jeux vidéo ont introduit de nombreuses techniques pour réaliser les plus beaux rendus possibles, tout en se pliant aux contraintes du matériel, et jusqu'à 2010, il était difficile de réaliser un objet dont le rendu soit crédible par rapport à une photo. On travaillait alors avec des modèles très approximatifs de la matière (pour les curieux, on parlait alors de diffuse et specular pour désigner la couleur et les reflets d'un objet).

Le Physically Based Rendering ou PBR est un modèle de matériau pour créer des rendus 3D qui respectent les lois de la physique. Introduit d'abord dans le monde des films d'animation, ce modèle s'est introduit en quelques années dans les principaux moteurs de jeu moderne.

Dans un matériau en PBR, on a généralement trois paramètres centraux :

  • l'albedo est tout simplement la couleur de la surface ;
  • la roughness contrôle la rugosité de la surface, du miroir parfait au papier de verre ;
  • la metalness définit si la surface est un métal.

Différentes valeurs de roughness et metalness

Sur l'exemple ci-dessus, le matériau a les propriétés suivantes, de gauche à droite :

  • metalness = 0, roughness = 0 ;
  • metalness = 1, roughness = 1 ;
  • metalness = 1, roughness = 0 ;
  • metalness = 1, roughness = 0.5.

L'avènement des modèles physiques est une excellente nouvelle pour vous : créer des rendus réalistes n'a jamais été aussi facile.

Liste des courses

Avant de se lancer en cuisine, on va faire le point sur les ingrédients. Pour réaliser un objet dans un jeu vidéo, au niveau de qualité attendu aujourd'hui par un joueur, il va nous falloir :

  • un objet en 3D finement détaillé dans votre modeleur favori, c'est ce qu'on appelle un high poly ;
  • une version plus légère de cet objet, le low poly ;
  • un matériau PBR dans votre moteur de jeu favori ;
  • plusieurs textures.

Pourquoi a-t-on besoin de plusieurs textures ?

Autrefois, on utilisait une seule texture, celle qui correspondrait aujourd'hui à l'albedo. Aujourd'hui, on va utiliser différentes textures pour contrôler le rendu :

  • une albedo map, qui définit l'albedo, la couleur de l'objet ;
  • une normal map qui simule des reliefs ;
  • une roughness map ou gloss map en noir et blanc pour contrôler la roughness ;
  • une ambient occlusion map qui assombrit les recoins de vos objets, également en noir et blanc.

La metalness, pour cet objet, sera contrôlée par une simple valeur fixe : tout l'objet est métallique, il est donc inutile d'utiliser une texture pour ça. Dans un matériau, on peut utiliser aussi bien une texture qu'une valeur uniforme sur toute la surface !

Pour terminer les présentations, reprenons l'exemple de notre valve…

Dans l'ordre de lecture : albedo, normal, roughness et ambient occlusion

Il faut donc réaliser ces quatre textures et les associer au matériau de l'objet ?

Tout à fait ! La façon exacte de faire dépend énormément du jeu et de la technologie qui va avec, mais les moteurs de jeu cités en avant-propos proposent des moyens simples de créer un matériau à partir des textures.

Le high poly

La particularité d'un high poly, la version haute définition de votre objet, c'est que cet objet ne sera jamais présent dans le jeu. Le nombre délirant de faces, la complexité des modifiers, la difficulté à texturer sont autant de raisons. On va donc tricher, importer le low poly dans le jeu, et utiliser une technique qui permet de reproduire une partie des détails du high poly sur le low poly : le normal mapping.

Le high poly : 96 000 faces après les modifiers, qui dit mieux ?

Le principe du normal mapping est le suivant : une texture, la normal map, va stocker les variations de la surface entre le high et le low. Le matériau va ensuite reproduire ces différences de surface une fois dans le jeu, en trichant sur l'éclairage. Le résultat est saisissant et permet de représenter des détails sans utiliser de géométrie supplémentaire dans le low poly.

De gauche à droite : high poly, low poly et rendu ; la normal map est visible en bas

Dans cet exercice, le lissage des faces est votre principale contrainte. Un objet réel n'a que rarement des arêtes vives, sauf si il s'agit d'un couteau ou d'une pièce métallique fraîchement usinée. Arrondir les angles est donc la première mission de votre high poly, et pas qu'un peu : si l'objet réel a un arrondi de 5 millimètres de large, il faut au moins un centimètre d'arrondi sur le high poly pour avoir le même résultat final. C'est une contrainte qui est liée à la normal map : souvent, la zone autour d'une arête tient dans quelques pixels de cette texture, un lissage très net sera tout simplement invisible.

Il faut donc modéliser en tenant compte de cette contrainte, en exagérant les formes que vous souhaitez introduire dans la normal map. Les rivets de l'exemple ont une forme sphérique, mais au rendu ils n'existent que par une distorsion de l'éclairage et ont donc l'air quasiment plats.

Il y a deux outils dans Blender pour contrôler le lissage d'un high poly :

  • l'outil edge loop (CTRL + R) sert à diviser des faces, on peut s'en servir pour limiter la propagation du lissage, comme illustré ci-dessous : on appelle ça une control loop ;
  • l'outil edge crease (dans le menu de la vue 3D, affiché avec N) s'applique à des edges et définit leur mode de lissage, de 0 à 1 : 0 pour ne pas influencer le lissage, 1 pour créer une arête vive.

Les arêtes lissées : observez leurs edge crease (en violet) et les control loop (en vert)

Dans la mesure du possible, il faut soigner le lissage en connectant le maillage d'une partie à l'autre, sans discontinuité. Bien sûr, la patience a ses limites et vous pouvez aussi recourir à de la géométrie dite flottante, c'est-à-dire qui n'est pas reliée au reste de l'objet, si :

  • soit la différence n'est pas visible et c'est donc inutile (les rivets ci-dessus) ;
  • soit il ne faut pas de lissage car vous représentez des pièces séparées (entre l'écrou et la manette sur notre valve, par exemple).

Toutes ces heures de modélisation, c'est juste pour faire une seule texture ?

Presque : on génèrera en fait une deuxième texture à partir du high poly. Mais en effet, il ne va servir qu'à générer des ressources et ne sera jamais importé dans le jeu. Rassurez-vous, le temps passé en modélisation n'est pas perdu : une belle normal map transforme totalement votre low poly.

Low poly et UV mapping

Le low poly est la version light de votre objet ! On va voir ensemble comment le réaliser de façon efficace. D'abords, parlons un peu de ses contraintes :

  • il doit épouser parfaitement les courbes de votre high poly, de préférence en les enrobant ;
  • il doit minimiser le nombre de faces ou polycount ;
  • il ne doit pas utiliser de subsurface ou autre déformation automatique qui serait appliquée à l'exportation, multipliant le polycount ;
  • bien entendu, il doit comporter un UV mapping.

3 000 triangles, pour cet objet, c'est un poids raisonnable

Chacun a sa propre méthode pour le faire, la mienne est très rapide, au détriment peut-être du polycount. Voici la marche à suivre :

  • dupliquez le high poly, supprimez le subsurface et ajoutez un modifier edge split avec un angle bien choisi pour votre objet, typiquement 45° ;
  • supprimez toutes les control loop qui servent à contrôler le lissage : le low poly ne doit avoir des arêtes que là où la géométrie change ;
  • n'hésitez pas à supprimer des jointures entre différentes pièces pour utiliser une géométrie flottante à la place, comme illustré ci-dessous ;
  • n'oubliez pas de créer des seams dans des endroits peu visibles pour préparer l'UV mapping.

Exemple de passage à une géométrie flottante, sur un autre objet

Vous pouvez utiliser des modifiers pour accélérer le travail, notamment le mirror, mais vous devez prendre bien soin de les appliquer avant de passer à l'UV mapping, à l'exception de l'edge split qui va nous accompagner jusqu'à l'exportation.

L'UV mapping est une étape pénible mais nécessaire, qui doit être réalisée avec minutie : si il y a de larges zones vides sur cette UV map, c'est autant d'espace perdu sur vos textures. Attention cependant à ne pas trop condenser non plus, en particulier, vous ne devez jamais avoir deux faces superposées, même si ce sont des pièces rigourement identiques : la génération des textures va créer des artefacts très visibles si vous vous y risquez.

Une fois l'UV mapping terminé, votre objet est prêt pour être exporté. Le format de référence est FBX, il est supporté dans un plugin de Blender fourni par défaut que vous devez activer dans les préférences de l'outil. Au moment de l'exportation, prenez garde à sélectionnez votre low poly et à cocher la case selected only, pour ne pas exporter également le high poly, au risque de bloquer Blender pendant plusieurs minutes !

En cuisine pour le baking

Le baking est l'étape centrale du travail de création. Ce processus permet, à partir du high poly et du low poly, de produire automatiquement la normal map et l'ambient occlusion map. On a déjà parlé de la normal map, l'AO map est la suivante sur la liste.

L'ambient occlusion consiste, en deux mots, à assombrir les recoins d'un objet. Empilez des assiettes et regardez bien l'espace entre elles : la lumière ambiente ne parvient pas aussi facilement à éclairer cet espace fermé. L'éclairage des jeux vidéo ne suffit pas à produire un résultat pareil, il faut là-encore tricher. On va donc générer une ambient occlusion map en même temps que la normal map.

Pour réaliser le baking, vous devez superposer le low poly et le high poly dans la même scène. Aucune caméra ou light n'est nécessaire ou même souhaitable, nous n'allons pas procéder à un rendu classique. Le low poly doit être associé à une texture : en mode edit, sélectionnez tout, puis dans la fenêtre d'édition UV, sélectionnez également toutes les faces si elles ne sont déjà. Créez une nouvelle texture, de préférence à une résolution doublée par rapport à votre taille cible.

Aujourd'hui, une texture typique a une résolution de 1024 pixels de côté, mais il est très courant d'utiliser 2048 pixels, voire 4096 pour de très gros objets lourdement détaillés (personnages, véhicules…). Un baking à une résolution double permet d'avoir un rendu plus fin, plus précis, avec moins d'artefacts ; en revanche votre système peut être mené à rude épreuve. Un baking d'ambient occlusion en 8192 pixels, à moins de disposer d'une machine surpuissante, peut durer plus d'une heure…

Pour lancer le baking, il faut se placer dans l'onglet Render du panneau latéral, puis de dérouler la section Bake tout en bas. Dans Bake Mode, il faut choisir Normals ou Ambient Occlusion suivant la texture à produire, cocher Selected to Active et configurer les propriétés Distance et Bias si elles existent :

  • Distance configure la distance maximale entre le high poly et le low poly, pour une face ;
  • Bias indique la distance de laquelle le high poly peut dépasser du low poly.

Il suffit ensuite de sélectionner le high poly puis le low poly avec la touche shift, et de cliquer sur Bake.

Le baking, tout juste terminé : on voit que le high et le low se superposent

L'opération doit être faite pour les deux types de texture, via le menu déroulant. N'oubliez pas de sauvegarder une copie de chaque texture. Si vous avez fait le baking à une résolution plus élevée que la résolution cible, c'est aussi le moment de les redimensionner dans votre éditeur d'image favori.

Normal map et ambient occlusion map

Albedo, roughness, metalness : la surface dans tous ses états

Au terme de ce travail, vous disposez de la moitié des textures à importer, ainsi que d'un mesh low poly. Il nous manque encore deux textures, et elles vont toutes deux nécessiter un travail manuel dans un éditeur d'image.

On va donc s'attaquer à la texture la plus classique de toutes, l'albedo. Elle fut connue à une autre époque comme la diffuse map, et c'est aussi celle qu'on appelait avant la texture, tout simplement, car il n'y avait qu'elle. Elle représente la couleur, et uniquement la couleur de l'objet.

Le travail à faire ici dépend entièrement de l'objet, des outils, de la direction artistique du jeu. Habituellement, on utilise une texture dite de base, comme du métal ou du bois, en dessinant par dessus les détails qui rendent l'objet unique : éraflures, peinture, marquages…

Dans le cas de l'objet d'exemple, voici ce que j'ai fait :

  • j'utilise une base texture de métal ;
  • ajoute de la rouille dans les recoins ;
  • je peins ensuite, à l'aide d'une tablette graphique, au pinceau sur toutes les arêtes dans une couleur plus claire afin de mettre en valeur les angles ;
  • j'ajoute des touches de couleur pour représenter soit du cuivre, soit de la peinture sur l'objet ;
  • enfin, j'ai dessiné une étiquette sur la manette de la valve.

Un objet métallique est relativement simple à faire, ça se corse si vous devez réaliser un personnage, bien sûr.

La roughness map, dernière de la liste, va exiger beaucoup moins de talent artistique. Elle représente l'état de surface de votre objet : le noir représente une surface plate comme un miroir, le blanc représente du ciment ou du papier de verre. En toute logique, du métal propre va avoir une roughness très faible, alors que du métal rayé va avoir une roughness supérieure. C'est tout !

En pratique, une roughness map de qualité va souvent être obtenue à partir de la base texture, en augmentant le contraste et en dessinant les arêtes de façon très visible.

C'est bon, c'est fini ?

Pas tout à fait : on ne s'est pas encore occupés de la metalness. On rappelle que ce paramètre définit si le matériau se comporte comme un métal :

  • à 0, l'objet est dit diélectrique (comprendre isolant), ce n'est donc pas un métal ;
  • à 1, l'objet est parfaitement métallique ;
  • logiquement, une valeur de 0.75 par exemple serait adaptée pour un métal un peu sale.

Ce réglage va principalement jouer sur la couleur et l'intensité des réflexions sur votre objet. A vous de jongler avec ce paramètre pour réaliser le matériau parfait, j'ai choisi d'utiliser la valeur 1 pour cet objet.

C'est prêt

Vous disposez maintenant d'un objet complet, prêt à être importé dans votre moteur de jeu favori. Il reste donc cette dernière étape, pour laquelle je ne peux pas vous aider : chaque jeu est différent, chaque technologie a ses propres méthodes. On sort du domaine de la méthode pour rentrer dans des problèmes d'organisation.

D'une façon générale, le principe est le même partout. Il faut importer l'objet FBX, les textures au format TGA ou PNG, créer un matériau à partir de ces textures, et l'associer à votre objet importé.

Le matériau dans Unreal Engine 4, après quelques réglages

Chaque moteur de jeu a ses propres caractéristiques de jeu et il faut bien sûr être conscient qu'un objet va toujours exiger des réglages particuliers : textures plus lumineuses, plus contrastées… Les images ci-dessous montrent des résultats différents dans des outils différents.

Le rendu dans Unreal Engine 4

Le rendu dans Marmoset Toolbag


Au terme de ce cours, vous avez en main les principales notions pour réaliser des objets dans un jeu vidéo.

Les fichiers utilisés ici comme exemples sont disponibles au téléchargement. La licence qui s'y applique est la même que celle indiquée pour ce cours.

Merci de votre lecture !

17 commentaires

Merci pour ce tuto très clair. J'ai une question, comment faire pour changer la couleur de l'objet sans changer la texture ? par exemple la couleur bleu ,et seulement cette couleur, si je veux qu'elle devienne rouge comment faire avec UE4 ?

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Merci oursinator !

Dans ton cas l'approche le plus élégante sur UE4 consiste à utiliser les layered materials. Le concept est le suivant : au lieu de dessiner une roughness, metalness, albedo sur tout ton objet, tu fabrique des MaterialFunctions de métal, métal rouillé, métal vif, métal peint (qui peuvent prendre des paramètres comme la couleur) et tu les blend avec des masques RGB.

Par exemple, dans Flare, chaque objet a une texture RGB unique : le channel "bleu" contient l'ambient occlusion", le vert indique que le matériau à rendre est du métal usé et scratché, le rouge indique du métal peint. Si il n'y a ni rouge ni vert le métal est brut.

Layered materials

Helium Rain, un space opera réaliste - Code source disponible !

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Merci oursinator !

Dans ton cas l'approche le plus élégante sur UE4 consiste à utiliser les layered materials. Le concept est le suivant : au lieu de dessiner une roughness, metalness, albedo sur tout ton objet, tu fabrique des MaterialFunctions de métal, métal rouillé, métal vif, métal peint (qui peuvent prendre des paramètres comme la couleur) et tu les blend avec des masques RGB.

Gwenn

Merci Gwenn, ça m'a l'air un peu compliqué pour mon niveau mais maintenant que je connais le nom quand je vais vouloir vraiment travailler sur ça je pourrai

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Fascinant, mais d'un bien trop haut niveau pour ceux qui débutent à peine la 3D avec Blender, même après le big-tuto.

Est-ce qu'un tuto/guide avec des explication plus "pas-à-pas", quitte à fournir les fichiers des modèles high-poly pour ne pas faire une redite du tuto-blender, serait envisageable ? Ca aiderait grandement à comprendre dans les détails les concepts que tu décris dans ton tuto.

Édité

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Petite precision : comme tu le dis, il faut un moteur supportant le PBR. Tu parles d'Unity en disant qu'il faut la version 5, je tiens donc a rajouter que pour l'instant elle n'est pas encore sortie. Effectivement dans la realese note de la future version ils precisent qu'elle supportera le PBR mais pour l'instant aucune date n'a ete annonce a ma connaissance.

Est-ce qu'un tuto/guide avec des explication plus "pas-à-pas", quitte à fournir les fichiers des modèles high-poly pour ne pas faire une redite du tuto-blender, serait envisageable ? Ca aiderait grandement à comprendre dans les détails les concepts que tu décris dans ton tuto.

elvian

Salut, désolé du temps de réponse… A priori je ne compte pas trop insister sur les détails, mais je suis preneur de suggestions sur des éléments précis du cours qui ne sont pas clairs.

Petite precision : comme tu le dis, il faut un moteur supportant le PBR. Tu parles d'Unity en disant qu'il faut la version 5, je tiens donc a rajouter que pour l'instant elle n'est pas encore sortie. Effectivement dans la realese note de la future version ils precisent qu'elle supportera le PBR mais pour l'instant aucune date n'a ete annonce a ma connaissance.

MeliMelo

Effectivement, ça fait 7 mois que Unity 5 est annoncé mais aucune date de sortie n'est prévue. Je pense maintenant qu'ils ont juste annoncé bosser dessus pour éviter que trop de monde parte vers UE4 et que U5 n'a jamais été proche d'une sortie ; alors qu'à l'écriture du tuto je pensais qu'on allait voir arriver Unity 5 dans les mois à venir.

Helium Rain, un space opera réaliste - Code source disponible !

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Il y a la beta d'Unity 5 mais c'est vraiment pas terrible ou alors j'ai mal testé. Y a toujours aucun node editor pour les matériaux.

Vous pouvez utiliser des modifiers pour accélérer le travail, notamment le mirror, mais vous devez prendre bien soin de les appliquer avant de passer à l'UV mapping, à l'exception de l'edge split qui va nous accompagner jusqu'à l'exportation.

Tu peux aussi parler du Decimate modifier, les vertices vont se merger automatiquement et Blender va faire son possible pour ne pas déformer le hard surface, il va merger en priorité sur les surfaces planes. Une technique c'est de commencer par diviser par deux 0.5 ou quatre 0.25 et de faire Apply, puis de réappliquer le modifier et de faire clic gauche et shift, le déplacer vers la gauche pour décimer doucement et arrêter juste avant que le hard surface soit déformé (travailler en mirror permet de ne pas avoir de surprise en ayant des déformations derrière) et d'appliquer à nouveau, puis de tweaker à la main les derniers edges qui peuvent être supprimés ou déplacés.

On peut aussi utiliser un vertex group pour protéger des zones, protéger à 50 % une partie qui doit être détaillé et qui à tendance à se déformer avec le modifier.

Édité

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Hey Stranger ! Je suis dans la création d'un jeux avec le UE4. Mais y'a un petit problème . Bon tu saurais pas comment en traite une collision sur L'UE4 Jors si object1 touche object2 Merci d'avance. ET aussi Pourquoi tu a quitte le SDZ?

Associer a aero15.

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Tuto très utile, merci ! Petite remarque cependant, j'ai eu quelques soucis pour générer la normal map d'un modèle. J'ai alors remarqué que l'objet low poly doit avoir un shading de type smooth et non flat, sans quoi des détails ne sont pas correctement rendus.

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Déterrage, mais je pense qu'il faudrait préciser dans cet article que tu es sous Blender Render/Internal et pas sous Cycles, vu que ce dernier n'a pas les mêmes options de baking (et surtout pas de baking de normals).

Coin Coin Coin !

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Déterrage, mais je pense qu'il faudrait préciser dans cet article que tu es sous Blender Render/Internal et pas sous Cycles, vu que ce dernier n'a pas les mêmes options de baking

-L0Lock-

Blender utilise toujours Internal par défaut, non ?

(et surtout pas de baking de normals).

-L0Lock-

J'utilise Blender Cycles tous les jours pour baker des normal map, tu dois faire erreur. Le cours a été rédigé juste avant que je passe à Cycles, donc ça fait deux ans que je bake tous les assets de Helium Rain avec…

Édité par Stranger

Helium Rain, un space opera réaliste - Code source disponible !

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Pour l'instant c'est blender internal par défaut, mais qui sait pour combien de temps. Et beaucoup de gens (dont moi) on mis cycles au démarrage.

Par-contre moi j'ai pas les normals de dispo dans le baking de cycles. Ou alors c'est un autre nom?
Edit : en fait je suis aveugle, voilà tout.

Édité par -L0Lock-

Coin Coin Coin !

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