02 — Lumière, couleur et matière

Ce que tu vas apprendre

• Ce qu'est un photon et les trois choses qu'il peut faire en touchant la matière
• La grande division des matériaux : conducteurs contre diélectriques
• Pourquoi une pomme est rouge (et pourquoi ce n'est pas une métaphore)
• Pourquoi un point éclairé renvoie de la lumière dans toutes les directions

Prérequis

• L'article sur la projection, qui a séparé la forme de la couleur
• Cet article traite la couleur ; aucune physique préalable n'est exigée

On a vu comment trouver quel objet est visible dans un pixel. Reste la moitié la plus intéressante : de quelle couleur est-il ? Pour répondre, il faut comprendre ce qu'est la lumière et ce qu'elle fait quand elle rencontre de la matière. Pas besoin d'un cours de physique quantique — juste le bon modèle mental.

La lumière, ce sont des photons

En infographie, on modélise la lumière comme un flot de photons : des particules d'énergie qui voyagent en ligne droite. Une source lumineuse — le soleil, une ampoule — en émet une quantité colossale dans toutes les directions. Tant qu'un photon ne rencontre rien, il file tout droit, indéfiniment et invisible.

C'est un point contre-intuitif mais essentiel : dans le vide, la lumière est invisible. L'espace interstellaire est traversé de photons, pourtant il est noir. On ne voit pas la lumière elle-même ; on voit la lumière après qu'elle a interagi avec de la matière. Sans objet pour la renvoyer, rien n'arrive à l'œil. C'est exactement l'observation d'Ibn al-Haytham : il faut et de la lumière et des objets.

Les trois destins d'un photon

Quand un photon frappe une surface, il peut faire trois choses, et seulement trois :

• être absorbé — son énergie est convertie (souvent en chaleur), il disparaît ;
• être réfléchi — il rebondit et repart dans une autre direction ;
• être transmis — il traverse la matière (cas du verre, de l'eau).

Et une règle de conservation tient toujours : la somme des photons absorbés, réfléchis et transmis égale le nombre de photons reçus. Rien ne se crée, rien ne se perd. On retrouvera cette comptabilité au moment de mélanger réflexion et réfraction (article 05).

Conducteurs contre diélectriques

Les matériaux se rangent en deux grandes familles, selon leur comportement électrique — et donc optique.

Les conducteurs sont les métaux. Ils interagissent fortement avec la lumière et la renvoient surtout par réflexion. C'est ce qui donne l'aspect spéculaire et « miroir » d'un métal poli.

Les diélectriques sont les isolants : le verre, le plastique, le bois, l'eau (même l'eau pure est un isolant électrique). Ils peuvent être opaques ou transparents, et c'est dans cette famille qu'on trouve la transmission de la lumière.

Beaucoup d'objets réels sont composites ou stratifiés : un meuble en bois verni, par exemple, a un cœur diffus (le bois) sous une fine couche brillante (le vernis). Il réfléchit donc à la fois de façon douce et de façon spéculaire. Modéliser correctement ces couches est tout l'enjeu des modèles de matériaux modernes (les BRDF) — mais l'idée de base reste cette division conducteur / diélectrique.

Pourquoi une pomme est rouge

La couleur d'un objet, c'est de la sélection de photons. La lumière blanche du soleil contient toutes les longueurs d'onde — du rouge au bleu. Quand elle frappe une pomme, la surface absorbe les photons bleus et verts et réfléchit les rouges. Les seuls photons qui repartent vers ton œil sont donc rouges, et tu perçois « rouge ».

Ce n'est pas une image : la couleur d'un matériau est sa façon d'absorber certaines longueurs d'onde et d'en renvoyer d'autres. Change la lumière incidente et la couleur perçue change avec elle — une pomme rouge sous une lumière purement verte apparaît presque noire, faute de photons rouges à réfléchir.

La lumière repart dans tous les sens

Dernier point, et il est crucial pour l'algorithme : un point de surface éclairé ne renvoie pas la lumière dans une seule direction, mais la disperse dans toutes les directions (pour une surface diffuse). La raison est microscopique : vue de très près, une feuille de papier est un paysage chaotique de bosses et de creux. Chaque photon rebondit sur cette micro-topographie et repart un peu n'importe où. À notre échelle, ça donne une réflexion qui part dans tout l'hémisphère au-dessus de la surface.

C'est pour ça qu'on voit un objet diffus sous n'importe quel angle : où que soit ton œil, il reçoit quelques photons partis de chaque point. Et c'est précisément cette dispersion tous azimuts qui va rendre l'approche naïve de l'algorithme — partir de la lumière — terriblement coûteuse. C'est tout le sujet de l'article suivant.

Sources

• Scratchapixel. 3D Computer Graphics Primer — How Does It Work. scratchapixel.com
• Pharr, M., Jakob, W., & Humphreys, G. (2023). Physically Based Rendering (4ᵉ éd.), chap. « Radiometry, Spectra, and Color » et « Reflection Models ». MIT Press, édition en ligne gratuite : pbr-book.org
• Hecht, E. (2017). Optics (5ᵉ éd.), chap. sur la réflexion, la diffusion et la couleur. Pearson.
• Ibn al-Haytham (Alhazen). Kitāb al-Manāẓir, sur la nécessité conjointe de lumière et de matière pour la vision. Book of Optics — Wikipedia