  Introduction à la 3D
[20 mn de lecture - paru le 5/14/2004 6:18:05 PM - Public : Débutant]
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1. Histoire de la 3D
1.1. Apparition de la 3D
Dans le domaine de la 3D les années 80 et 90 ont été marquées du sceau de
Silicon Graphics. Ce sont les premiers à avoir équipé leurs stations de travail
de fonctions 3D câblées. Du haut de leurs station Iris, Octane, Onyx ou Reality
Engine, les chercheurs pouvaient visualiser des objets en temps réel. Mais
attention, rien de très excitant : une forme géométrique simple et rarement
texturée...
C'est au début des années 1990, que le mouvement s'accélère : Silicon Graphics
lance sa gamme Indigo avec des fonctions 3D dont le haut de gamme bénéficie de
fonctions 3D hardware avancées. Les stations H.P. deviennent aussi plus musclées
côté 3D, grâce en particulier au rachat d'Apollo. Les projets de simulation de
vol temps réel sortent aussi des laboratoires de l'armée. Deux facteurs vont projeter la 3D sur le
devant de la scène : les premiers effets spéciaux en images de
synthèse (utilisés dans la pub et le cinéma : Abyss, Terminator 2, Jurassic
Parc...) et les jeux vidéos utilisant la 3D en temps réel (tandis que les intros
profitent de 3D précalculée).
Rapidement le PC va devenir la machine de prédilection des jeux vidéos et en
moins de quelques années la puissance des PC va se rapprocher de celles des
stations de travail, et même les dépasser ! Au début, tout le monde copie le
meilleur de Silicon Graphics : de la librairie graphique Open GL au design des
stations de travail. Les grands constructeurs lancent des stations de travail PC
sous NT: Intergraph (TDZ), Compaq, Digital (NT-Alpha), H.P. (vizualize), IBM (Intelistation).
Pour le sous ensemble graphique ces sociétés font confiance à 3D Labs (glint),
Oxygen. Il ne reste
malheureusement plus beaucoup d'arguments pour les stations Silicon, et Silicon
décide de fabriquer des PC... Le mythe compte ses dernières heures ! Silicon
devient SGI et espère en vain retrouver sa place de leader en lançant des
stations PC sous NT ce qui a été un échec cuisant, forçant SGI dans ses derniers retranchements.
Aujourd'hui les stations SGI se
cloisonnent au calcul scientifique (après avoir racheté Cray Research) et au
traitement vidéo (mais là encore, le PC gagne des parts de marché).
Au milieu des années 90 la 3D comptent beaucoup d'acteurs, le premier est sans
aucun doute S3 qui lance une accélération 3D hardware (Virge) sous Windows 95 et
DirectX. Le coprocesseur graphique prend en charge les textures, et certains
effets de lumières pour décharger le processeur. A cette époque pour soulager
efficacement le processeur, il faut se tourner vers des solutions plus coûteuse
comme les cartes Glint avec co-processeur arithmétiques (dépassant la dizaine de
milliers de francs).
Mais en quelques années, les cartes graphiques de PC vont se transformer en
foudre de guerre... En 1997, c'est le règne de la Voodoo de 3Dfx (composé
d'anciens ingénieurs de Silicon Graphics) qui imposent leurs cartes graphiques
et leur librairie Glide (dérivée de l'open GL) face à Direct 3D. Le secteur des
cartes vidéo 3D grand public va connaître une concurrence sans pareil. Tant et
si bien que les cartes professionnelles n'auront plus aucun atout particulier.
puisque SGI intègrera dans ses PC les cartes 3D de Nvidia.
A la fin des années 90, il ne reste plus que deux acteurs dans le monde de la 3D
: Ati et nVidia. C'en est fini de S3, 3Dfx (racheté par nVidia), TNT, Oxygen, Cirrus
Logic, Matrox, Tseng Lab,
Diamond, SGI, intense3D, Number nine, Videologic... Les processeurs 3D déchargent le CPU des
calculs géométriques complexes et les cartes graphiques deviennent plus musclées
que les cartes mères ! Intel a jeté l'éponge au bout de 6 mois d'activité dans
la course au processeur 3D (i740).
La 3D rythme l'évolution des PC : le sous-ensemble graphique devient plus
important que le reste des composants du PC. Les cartes dédiées aux applications
professionnelles sont supplantées par les solutions "grand public" : la
visualisation en temps réel chère aux scientifiques a profité des progrès
réalisés dans ce domaine par.... le monde des jeux vidéos ! La progression est
effrénée et dépasse toutes les prévisions. Il faut dire que les objectifs fixés
par les entreprises travaillant dans la 3D sont très ambitieux : reproduire
fidèlement la nature, dans toute sa beauté et sa complexité !
1.2. Historique des différentes générations de cartes
Comme l'on vient de le voir, tout au long des années les fabricants ont su faire
évoluer leurs cartes de façon exceptionnelle. Nous allons donc voir quelles ont
été les principales évolutions et les avantages que celles ci ont pu apporter.
Nous pouvons distinguer 2 grandes générations de cartes 3D.
Cartes de première génération
Avec l'arrivée de jeux nécessitant de plus en plus de puissance, les
constructeurs ont été dans l'obligation de créer des cartes dédiées à
l'accélération 3D, afin de soulager le processeur. Ces cartes ont pour mission
d'alléger le processeur en calculant à sa place le grand nombre de polygones
demandés. Certaines de ses cartes permettent même de filtrer des scènes,
c'est-à-dire de lisser les pixels indésirables. Ces cartes possèdent un unique
moteur de rendu (1 pipeline).
A partir de 1996,
3Dfx sort la Voodoo et reste largement seul en tête. Ses concurrents
directs, Matrox (avec la Mystique 220), S3 (avec la S3 Virge), et Ati avec le
Rage PRO ne peuvent rivaliser: la Voodoo est rapide, le rendu est sublime, et
surtout ses performances dépendent très peu de la configuration.
Après le succès de la Voodoo 3Dfx, en 1998, sort donc la Voodoo 2 (qui feront aussi de la 2D avec la Banshee). La
Voodoo 2
n'est qu'une Voodoo 1 à qui on a rajouté de la mémoire et doublé le nombre de
pipelines (il y en a 2). Ce sont les premières cartes à disposer de deux
pipelines de rendu en parallèle, mais ils fonctionnent en couple (pas possible
que deux pixels différents soient traités en même temps).
Mais la Voodoo 2 possède encore une astuce : le mode SLI qui permet de mettre
deux cartes dans un même ordinateur pour doubler les performances.
Malgré peu de nouveautés, les performances sont au rendez-vous
face à la concurrence et 3Dfx ressort largement gagnant du combat. Matrox sort
le PowerVR, un chip développé par lui qui fait un véritable flop. Nvidia arrive
à sortir avec, hélas plus de 6 mois de retard sa carte TNT (NV4), dont les
performances, proches des 3Dfx, restent inférieures.
3Dfx contre-attaque avec le Voodoo 3, nVidia avec le TNT2, et les autres
concurrents comme ATI, ne peuvent rivaliser. Ces cartes n'ont rien de
révolutionnaire: Le Voodoo 3 est en fait un chip condensant les 6 chips du
Voodoo 2 SLI. Il s'agit donc simplement de 2 Voodoo 2 en parallèles. Le TNT
2(NV5) est une version accélérée du TNT, gérant entre autre, plus de mémoire,
des textures plus grandes, un RAMDAC accéléré, ...
Dès lors 3Dfx partage la tête avec ses concurrents et perd son avance.
Les jeux sont évidemment de plus en plus beaux et les effets de plus en plus
nombreux.
Cartes de seconde génération
En 1999,
nVidia annonce et sort un tout nouveau concept de chip : le NV10 ou GeForce256.
La structure du GeForce256 est révolutionnaire, il s'agit cette fois d'un véritable
processeur, GPU (Graphic Processor Unit).
Il contient 23 Millions de transistors. (Contre 10 Millions pour le
Pentium II) et a une puissance de 15M de triangles /secondes contre 4M pour un
Pentium III 550MHz.
La principale innovation de cette carte est l' intégration d'un Moteur Transform &
Lightening (T&L).
Lors de la transformation (Transforming) d'une scène 3D, les nombreuses tâches
et effets sont très lourds et demandent au processeur, et plus particulièrement
à la partie du processeur s'occupant des calculs à virgule flottante (FPU),
énormément de ressources. De même, les effets de lumières (Lightening map) sont
très gourmands en ressources.
Avec les accélérateurs 3D de plus en plus puissants, la vitesse d'affichage est
limitée par le processeur, qui est sans cesse attendu. Les développeurs de jeux
doivent donc se limiter dans la complexité des scènes pour ne pas saturer le
processeur de polygones trop complexes à traiter. Le processeur devient donc le
facteur limitant. Et c'est précisément ici que le NV10 intervient.
Le NV10 est un processeur spécialement dédié au calcul de scènes et il remplace
intégralement le processeur. Il prend donc totalement en charge le Pipeline 3D
et évite sa saturation. Les scènes que l'on peut calculer avec le GeForce
peuvent donc être beaucoup plus détaillées, l'Intelligence Artificielle plus
complexe, et l'ensemble beaucoup plus réaliste.
3Dfx ne peut rivaliser. Il perd beaucoup de parts de marché. Beaucoup lui
reprochent son manque d'innovation. Les 3Dfx Voodoo 1, 2 et 3 ne fonctionnent
qu'en couleur 16bits (65536 couleurs), alors que tous ses concurrents
travaillent en 32bits (nVidia dès le TNT, ATI avec le 128GL puis le Radeon).
Même si les couleurs sont d'une vivacité rare sur les 3Dfx, les dégradés ne sont
pas aussi nuancés, surtout en haute résolution.
3Dfx tente de contre-attaquer avec ses Voodoo 4 & 5, qui sont composés de
plusieurs processeurs de Voodoo 3 assemblés ensemble (le chip s'appelle ici le
VSA 100). Ces cartes nécessitent une alimentation parallèle et sont basées sur
l'architecture Voodoo 1. 3Dfx annonce que son chip ne gère pas le T&L, mais
compense par le FSAA (Full Screen Anti-Aliasing) qui permet de gommer TOUS les
pixels d'une image en 640x480. D'où il n'y aurait pas d'intérêt de jouer en
haute résolution. De plus, le FSAA fonctionne avec toutes les API. Hélas, peu de
joueurs semblent convaincus. Le Voodoo 5 5500 AGP est sorti bien après le
GeForce et n'est pas aussi performant. nVidia tente de développer une sorte de
FSAA pour le GeForce, mais les résultats ne sont pas concluants.
Conséquences, fin 2000, 3Dfx est racheté par nVidia et désormais seul ATI et
son Radeon peuvent prétendre rivaliser avec nVidia.
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Gregory MARTIN
[30 mn de lecture - paru le 5/13/2004 5:26:17 PM - Public : Confirmé]
[30 mn de lecture - paru le 5/13/2004 4:13:24 PM - Public : Confirmé]