Qu’est-ce qu’un système de particules en art numérique ?

Un système de particules est une manière de dessiner quelque chose sous la forme d’un très grand nombre de petits éléments, les particules, toutes déplacées par les mêmes règles simples. Une particule seule ne ressemble pas à grand-chose : un point avec une position, une vitesse et parfois une couleur ou un âge. Ensemble, des milliers d’entre elles peuvent se lire comme de la fumée, une nuée d’oiseaux, un nuage de gaz ou un champ de lumière qui s’écarte au passage de ta main.

D’où vient l’idée

Le terme vient de l’informatique graphique. En 1983, William T. Reeves, qui travaillait alors chez Lucasfilm, publie Particle Systems: A Technique for Modeling a Class of Fuzzy Objects, où il décrit la méthode utilisée pour le feu qui se répand sur une planète dans l’« effet Genesis » de Star Trek II : La Colère de Khan (1982). Son argument est simple : le feu, les nuages ou l’eau n’ont pas de surface fixe à modéliser, il est donc plus facile de décrire comment naissent, bougent, changent et meurent une multitude de choses minuscules.

Les artistes s’emparent vite de l’idée. L’animation Particle Dreams (1988) de Karl Sims applique des règles de comportement à des milliers de particules pour créer une tempête de neige, une cascade et une tête agitée. Aujourd’hui, le même principe fonctionne dans les moteurs de jeux vidéo, les logiciels d’effets visuels et les bibliothèques de programmation créative, et aussi dans le navigateur, sur la carte graphique d’un téléphone ordinaire.

Ce qu’est une particule, et ce qui la fait bouger

Dans la plupart des systèmes, une particule est une courte liste de nombres : où elle se trouve, à quelle allure et dans quelle direction elle avance (sa vitesse), et parfois son âge, sa masse ou sa couleur. Le système répète une même boucle de nombreuses fois par seconde, pour chaque particule :

1. Additionner les forces qui agissent là où se trouve la particule.
2. Modifier un peu sa vitesse dans cette direction.
3. La déplacer selon sa vitesse.
4. La dessiner.

Presque tout ce qui est intéressant se joue à la première étape. Une force est n’importe quelle règle qui dit « pousse par là, à cet endroit ». L’attraction rapproche les particules d’un point et la répulsion les en éloigne, en général d’autant moins fort qu’elles sont loin. Un champ de flux donne une direction à chaque endroit, comme un courant dans l’eau. L’amortissement retire un peu de vitesse à chaque image pour que rien ne s’emballe indéfiniment. Beaucoup de systèmes ont aussi des émetteurs, qui créent de nouvelles particules, et une durée de vie au bout de laquelle chacune s’efface.

C’est la vitesse qui donne au résultat son air physique. Une particule ne saute pas là où pointe une force : elle tourne vers elle sur plusieurs images, la dépasse et décrit des courbes. Cette inertie explique pourquoi un champ de particules semble avoir du poids.

Comment des éléments simples font des images complexes

Chaque règle tient en une ou deux lignes, et pourtant l’image qu’elles produisent est rarement prévisible. Les deux images ci-dessous viennent d’un petit système écrit pour ce récit : 6 000 particules dispersées au hasard, chacune lisant le même courant doux et rapprochant peu à peu sa vitesse de celle de ce courant. Aucune particule ne sait que les autres existent.

En quelques secondes, la dispersion de départ s’est organisée en voies, en tourbillons et en flaques vides. Personne n’a dessiné ces voies : elles apparaissent parce que des milliers de particules suivent le même champ et s’accumulent là où ses courants convergent. C’est ce que signifie l’émergence : une structure à l’échelle de l’ensemble qu’aucune règle ne décrit à l’échelle de chaque élément. Le guide sur l’art génératif interactif suit la même idée à travers le Jeu de la vie et les boids, des systèmes où les agents réagissent bel et bien les uns aux autres.

Trois mondes, trois techniques

On est tenté de croire que toute image de particules est une simulation physique. Les trois mondes de particules de Synfield montrent que ce n’est pas le cas, et la différence se voit dès qu’on sait où regarder.

Matter : une simulation

Matter est un système de particules au sens classique. Jusqu’à environ 65 000 particules conservent leur position et leur vitesse d’une image à l’autre, stockées sur la carte graphique et mises à jour à chaque image. Chacune est portée par un courant calculé comme le rotationnel d’un champ de bruit, une technique exposée par Robert Bridson et ses collègues dans Curl-Noise for Procedural Fluid Flow (2007), qui crée des tourbillons sans entasser les particules, plus un petit terme supplémentaire qui les rassemble en filaments. Tes forces s’y ajoutent : le pointeur de la souris attire et remue, le code interprète une paume ouverte devant la caméra comme une poussée, garder les doigts pincés creuse un puits de gravité, et relâcher envoie une onde.

Nebula : calculée, pas simulée

Nebula compte jusqu’à 52 000 points, mais aucun ne se souvient d’où il était. Chacun a une place fixe dans un nuage généré à l’ouverture du monde. À chaque image, la carte graphique calcule où chaque point doit apparaître à partir de cette place, du temps, de l’ouverture de la main, de la position du pointeur et de toute onde de choc en cours. Quand la main se ferme, les couches intérieures se resserrent d’abord et les extérieures ensuite, car elles suivent deux ressorts différents.

Le nuage bouge comme un fluide, mais il ressemble davantage à une animation guidée par des règles. Comme rien ne s’accumule d’une image à l’autre, il retrouve toujours sa forme.

Vortex : une seule grandeur qui a de la mémoire

Vortex dessine des dizaines de milliers de traits courts autour d’un noyau sombre. Leurs positions sont elles aussi calculées : chaque trait a sa propre orbite et tourne avec une rotation commune plus rapide près du centre, si bien que le disque se cisaille. Ce qui a de la mémoire, c’est un seul nombre, la rotation. Dessiner des cercles en tenant le vortex l’augmente ; une fois lâché, le frottement la réduit lentement.

Particules, physique et systèmes génératifs

Les trois termes se recoupent, mais ce ne sont pas des synonymes.

Un système de particules peut faire partie d’une simulation physique, par exemple quand des ingénieurs suivent les gouttelettes d’un spray. En art, en revanche, les forces sont généralement choisies parce qu’elles ont l’air justes et qu’on les sent justes, pas parce qu’elles sont exactes : les courants de Matter ne sont ni de l’air ni de l’eau. C’est pourquoi la plupart de l’art de particules est aussi de l’art génératif. L’artiste conçoit les règles, et le système produit des images que personne n’a dessinées une à une.

Pourquoi les particules conviennent à l’art interactif

Les particules répondent bien à une personne parce que chacune réagit localement. Une main ou un pointeur n’est qu’une force de plus dans la même somme que le courant, donc le système n’a pas besoin de comprendre un geste pour y répondre. La réponse est continue, pas un interrupteur, et comme les particules ont de l’inertie, un mouvement laisse un sillage qui dure quelques secondes après ton arrêt. C’est très proche de la boucle entre agir et recevoir une réponse décrite dans Qu’est-ce que l’art interactif ?.

Pour en construire un toi-même, le livre gratuit en ligne The Nature of Code de Daniel Shiffman contient un chapitre très clair sur les systèmes de particules, et la page de Craig Reynolds sur les boids montre ce qui se passe quand les particules commencent à s’orienter d’après leurs voisines.

En bref

Un système de particules, ce sont de nombreux éléments simples, une boucle et un ensemble de forces. Les forces donnent son caractère à l’image : les courants apportent la dérive, l’attraction et la répulsion une réponse à un point, l’inertie le poids. Et toute image de particules n’est pas une simulation. Certaines sont recalculées de zéro à chaque image, d’autres ne gardent qu’une seule grandeur qui a de la mémoire. Repérer ces choix est une bonne manière de lire n’importe quelle œuvre faite de particules.