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Cours d'infographie    Chapitre 1 : Généralités

I.S.I. Gramme   - Liège

Signalons que dans la région liégeoise, toute une série de petites entreprises vivent de l'informatique graphique, de la CAO et des techniques apparentées. Citons, entre autres :  EVS (transmission d'images vidéo et ralentis), XDC (Cinéma numérique), Greisch (CAO génie civil), Samtech (logiciel SAMCEF), Star (Systèmes d'informations géographiques GIS).

A Anvers, la société New Wave Entertainment est une des plus importante de Belgique (films ‘ride’). Citons aussi  Alterface à Louvain-la-Neuve.

L'évolution des ordinateurs de 1945 à nos jours représente un doublement de performance à prix égal tous les 18 mois ou encore une multiplication des performances par 100 tous les dix ans à prix égal. Ce n'est pas une blague : La puissance de calcul de l'ENIAC de 1945 a représenté pour l'armée américaine qui l'a financé un coût de l'ordre de 250 millions d’Euros. L'équivalent était disponible pour 100 millions dans les années 50 à 60 et pour 1 million environ dans les années 70. Les calculatrices de poches scientifiques actuelles disponibles pour 10 € environ qui ont une puissance de calcul plusieurs centaines de fois supérieure. On n'ose imaginer ce qu'aurait pu coûter un simple PC en 1950 !

Notons que l'industrie informatique progresse par petits bonds et non de façon rigoureusement continue. La demande influence énormément la tendance des offres. Ainsi, actuellement, l'infographie ou image de synthèse est un domaine où l'accroissement de performances atteint actuellement 300% par an à prix égal. Cette redoutable guerre économique montre que bien plus que dans toutes les autres branches de l'ingénierie, suivre l'actualité est important.

Le principe des ordinateurs est depuis longtemps basé sur le modèle de Von Neumann : le calculateur lit une instruction et les données associées éventuelles, puis l'exécute avant de passer à la suivante. Chaque instruction (comme par exemple : multiplication de 2 entiers) est décomposée en une suite d'instructions plus simples dans l'ALU (Arithmetic Logic Unit) : c'est le microcode. Chaque instruction de microcode est exécutée par un circuit électronique différent. C'est sur cette base que se sont développés les microprocesseurs depuis le 4004 de 1975 jusqu'à 1985 environ, et même nos bons vieux Pentium-III appartiennent à cette famille CISC.

Le RISC n'utilise pas de microcode, mais un circuit électronique complet réalise toute une instruction en une seule fois. C'est un peu comme si le processeur donnait accès au microcode d'un processeur CISC. La surface de silicium occupée par instruction est plus importante que dans les CISC, on a donc réduit leur nombre, d'où leur nom. A cause de sa conception, un processeur CISC met de nombreux cycles d'horloge pour exécuter une instruction.

Mais la tendance moderne est de faire converger ces deux types d'architecture qui sont alors nommés 'Super-Pipelined processors'. L'évolution de la fabrication des CI (circuits intégrés) continue à réduire la taille des puces et à augmenter la richesse du jeu d'instructions des processeurs. A cause du parallélisme des circuits d'exécution, les processeurs modernes comme les Pentium-IV et les AMD Athlon XP exécutent dans certains cas plus de 3 instructions par cycle d'horloge.

D'autre part, les concepteurs de circuits CISC utilisent les enseignements apportés par les 'Risc-maniacs', ce qui nous conduit à des circuits comme les AMD Athlon XP et les Pentium-III et IV d’Intel, qui dépassent une vitesse d’exécution d’1,3 cycles d'horloge en moyenne par instruction avec des taux de transferts de donnés sur le bus de 2100 et même 3200 mégaoctets par seconde (avec les mémoires RDRAM ou Rambus). Le PENTIUM IV a plus de 14 millions de  transistors et tourne à 2200MHz (Janvier 2002).

Les ordinateurs nécessaires à l'infographie haut de gamme sont souvent appelés 'Workstations' pour indiquer leur puissance de traitement supérieure à celle des PC de table, mais aussi en référence à leur taille plus faible que celle des gros systèmes de gestion (les Mainframes). Ces derniers ne sont pas plus puissants ( ou pas souvent ), mais possèdent beaucoup plus de périphériques : imprimantes, terminaux, modems, etc. Les puissances de calculs en entier se chiffrent en MIPS ou millions d'instructions par seconde, les puissance de calcul en nombres réels se mesurent en FLOPS (floating point operation per second). Le PC d'IBM de 1979, référence s'il en est, représentait 0,1 MIPS avec son processeur 8 bits tournant à 4,77 MHz.

Les nouveaux processeurs Itanium d'Intel (Architecture 64 bits nommée IA64, dont quelques centaines d'exemplaires sont en circulation en 2002, vu leur prix très élevé) devraient dépasser le milliard d'instructions par seconde grâce à leur architecture interne parallèle. Mais ils nécessitent une ré-écriture complète des compilateurs et ne sont PAS directement compatibles avec la famille x86, qu'ils devront émuler par logiciel.

Les 'gros PC' à base de processeurs PENTIUM IV XEON ou Athlon XP de AMD ont une puissance qui se chiffre en centaines de MIPS avec des processeurs à 1500 voire 2000 MHz et même plus. La technologie actuelle des circuits imprimés (et non celle des circuits intégrés) interdit à prix raisonnable de dépasser de beaucoup la fréquence de 200 Mhz sur les bus externes (400 MHz entre les Pentium iV et leur mémoire Rambus, mais sur distances très courtes, 266 Mhz sur les Athlon XP avec mémoires DDR). Une montée en puissance à faible coût impliquant l'usage de microprocesseurs, ne peut plus guère s'orienter que vers l'augmentation du nombre de ceux-ci. Les circuits VLSI des années 2000-2002 autorisent des circuits de 15 à 30 millions de transistors par puce. On peut donc consacrer une bonne part de ceux-ci à la communication entre processeurs, le reste étant encore suffisant pour réaliser un processeur CISC performant. Le Pentium-IV contient l’électronique nécessaire pour réaliser les communications internes d'une machine à 4 processeurs partageant le même bus de données. La famille Itanium est prévue pour un fonctionnement à 16 processeurs dans un premier temps et plus encore dans les versions futures.

Le RISC : L'exemple type en est le PowerPC d’IBM, Apple et Motorola. Il existe des machines à plus de 2000 processeurs RISC... Les ordinateurs CYCORE (Suède) utilisent des processeurs IBM PowerPC. Une machine peut en contenir plus de 1.000 !

Le gros problème des ordinateurs parallèles est de morceler les tâches à effectuer pour ne laisser jamais aucun processeur inoccupé. Ce rôle revient en partie au programmeur et en partie aux compilateurs. OCCAM (d'INMOS) était le premier compilateur paralléliseur vraiment souple d'utilisation. Il étatit aux Transputers, les premiers processeurs conçus pour le parallélisme. Le plus souvent, on utilise du C++ avec des macro-instructions spéciales de parallélisation (les directives PRAGMA).

D'autres constructeurs ont réalisé des machines parallèles ou utilisent des processeurs auxiliaires ou coprocesseurs flottants. Les PC utilisaient au départ les historiques coprocesseurs arithmétiques 80x87 qui sont maintenant d’office intégrées dans les processeurs de la famille Pentium. Il existe aussi des coprocesseurs graphiques, ou de communications, de contrôle de périphérique, etc.. On parle aussi de processeurs DSP, calculateurs spécialisés dans le traitement de signaux : son, paroles, etc. (DSP = Digital Signal Processor).

Les machines les plus puissantes dépassent le 'Teraflop' en puissance pure, comme ASCI White   équipé de 8192 processeurs IBM Power 3 à 375Mhz, ce qui lui confère une puissance de calcul de plus de 7 Teraflops (officiellement 7.226.000.000.000 opérations flottantes par seconde).

Les instructions MMX des processeurs Intel et compatibles sont une autre forme de parallélisation : elles traitent des registres de 64 bits comme 8 registres de 8 bits et une seule instruction (par exemple Multiply+Add) agit en parallèle sur les 8 données de 8 bits. Ceci est très utile pour les calculs d’interpolation linéaire ou de multiplication matricielles qu’impliquent les techniques d’image de synthèse 3D. Cette technique porte aussi le nom de SIMD pour Single Instruction - Multiple Data.

La tendance actuelle est de fabriquer des processeurs uniques (pour des raisons de coût), mais très puissants, notamment grâce à plusieurs unités de traitement fonctionnant en parallèle. Ainsi le Itanium, le processeur à 64 bits d’Intel dont les premiers ont été disponibles courant de l'an 2001, exécute-t-il trois instructions entières et deux instructions flottantes simultanément (architecture IA-64).

Les instructions sont aussi découpées en multiples tranches exécutées simultanément dans un ‘pipe-line’. Pendant qu’une instruction commence, une autre est en milieu d’exécution et une autre se termine. Les processeurs de pointe actuels (Athlon XP, Pentium IV et Xeon) ont des pipe-lines à 6 ou même 8 étages.

La réduction de taille des transistors implique une diminution de consommation et donc la possibilité de mettre plus de transistors dans une puce. Les technologies de pointe actuellement utilisent une gravure en traits de 0.18 voire même 0.13 µ et un nombre de transistors qui dépasse les 10 millions . On emploie aussi une métallisation au cuivre, plus efficace que l'aluminium, plus facile à déposer par métallisation sous vide, mais moins bon conducteur.

Les autres voies de réduction du temps de calcul passent par l’augmentation de la mémoire cache (incorporée au processeur ; XEON = 1 ou 2 Mbytes de cache interne) et par l’exécution spéculative : Avant un branchement conditionnel, on ne sait pas quelle branche le programme va suivre, alors on prépare déjà le travail dans les deux branches à la fois. Le nombre de registres internes (mémoires de travail) augmente aussi considérablement.

La voie tracée par l' Itanium d’Intel (gamme IA-64 - VISTA compatible) a donné aux compilateurs la tâche de préparer explicitement la parallélisation des instructions, en les alignant 3 par 3 pour les processeurs avec des instructions sur quelle partie du processeur doit se charger de quelle instruction.

Cette tâche était jusqu’ici laissée au processeur lui-même qui devait décider d’allouer une instruction à une unité de calcul en quelques nanosecondes. Laisser cette tâche au compilateur permet d’économiser des centaines de milliers de transistors que l’on peut dès lors consacrer au calcul ou à de la mémoire cache.

Les instructions de ce type sont nommées VLIW (Very Long Instruction Word) ou encore EPIC (explicitely parallel instruction computing) et ne sont plus écrites par des programmeurs, mais issues d'une portion (l'optimiseur) du compilateur lors de la création du programme. Les instructions EPIC permettent de se passer du microcode, comme dans les processeurs RISC.

Les applications de type CAO utilisent énormément de ressources et doivent donc être écrites dans des langages qui pénalisent le moins possible la vitesse et la taille des algorithmes.

Le langage le plus proche de la machine devrait donc être le meilleur, parce que le plus efficace : l'assembleur. Malheureusement, c'est un langage de trop bas niveau pour que les programmeurs aient une rentabilité quelconque. On le réserve donc à certaines routines particulièrement critiques représentent moins de 1% des lignes de code produites. Le choix offrant le meilleur compromis entre l'efficacité à l'usage et la rentabilité lors de la programmation est le langage C. D'autant plus qu'il est en quelque sorte 'marié' avec le système d'exploitation UNIX, qui est celui d'une grande partie des plus puissantes stations de travail CAO. C++ est la variante du C orientée objet.

Visual Basic est un langage ‘component oriented’, c’est à dire orienté objet, mais avec des objets ‘component’ qui sont quasiment des applications en eux-mêmes, très faciles à utiliser. Les programmes VB sont ainsi très vite mis au point et cette qualité en fait un langage de choix pour les ingénieurs. Java est aussi un langage intéressant car il est indépendant de l’ordinateur sur lequel il tourne et est donc parfait pour les applications Internet (où l’ordinateur ‘client’ n’est jamais connu à priori).

On appelle langages de 4ème génération les langages de l'intelligence artificielle : Algol, Lisp, etc. Ces langages sont aussi nommés non-procéduraux car ils permettent au programmeur de donner à la machine des données ou des procédures 'en vrac' sans se soucier d'organiser la hiérarchie d'appel des routines et sous-routines. Si une donnée ou une procédure manque, le compilateur le signale au programmeur qui doit alors fournir l'information manquante. Lisp est un langage hautement récursif particulièrement apte à manipuler des listes, comme son nom l'indique (LISt Processing). D'aucuns affirment que LISP signifie 'Longue et Interminable Suite de Parenthèses'. Ceux qui programment en Lisp comprennent pourquoi!

Les générateurs de programmes sont les premières applications des techniques CASE (Computer Aided Software Engineering) qui incluent les générateurs d'applications, les générateurs d'écrans de saisies, les générateurs de rapports, etc. Tous ces programmes sont conçus pour économiser le temps des concepteurs de programmes (et certains y réussissent).

Une voie d'avenir pour l'aide informatique à l'ingénieur (et à d'autres) est le multimédia. C'est un terme que l'on retrouve dans nombre de publications récentes. Il inclut l'usage de CD-Audio et de Video-CD (640 Mégas sur un CD semblable au Compact Disc audio et au CD-ROM, mais formaté différemment) ou de DVD (Digital Versatile Disc - Jusqu'à 11 Gb en double face et double couche) connectés à des micro-ordinateurs. Le Multimédia est en fait un concept qui recouvre l'interaction entre les diverses techniques audio, vidéo et informatique.

Le DVD a fait sa réelle percée sur le marché grand public en 2001 avec un triplement des ventes sur 12 mois. En 2001, les ventes de DVD ont pour la première fois dépassé celles des cassettes VHS.

Tous les compilateurs les plus connus comme les 'C++' de Microsoft ou de Symantec, le Java de Sun et Visual Basic intègrent des fonctionnalités 'objet'. Le concept 'OOP' (Object Oriented Programming) est très intéressant : Les données (ou objets) sont rangées dans des classes et des sous-classes. A chaque classe d'objets sont associées une ou plusieurs procédures. Par exemple, si un programme connaît des objets appartenant aux classes 'cube', 'sphère' et 'prisme', le programmeur définira une procédure 'afficher' pour chacune des classes. Dans le programme principal, l'instruction 'AFFICHER l'objet A' appellera l'une ou l'autre de ces procédures suivant la classe à laquelle appartient l'objet A. Le programmeur est ainsi libéré de beaucoup de contraintes.

Dans le langage 'HyperText' (comme dans les documents HTML que l’on trouve sur Internet), supposons qu'un fichier existe et qu'une des fiches soit visible à l'écran. Quelques lignes de texte sont visibles dans la fiche, accompagnées chacune d'un bouton 'Activer'. Avec la souris, on active un des boutons. Si la ligne correspond à une adresse, on la verra s'afficher dans une fenêtre à l'écran. Si elle correspond a un morceau de musique, on l'entendra dans le haut-parleur de l'ordinateur. Et si elle correspond à une séquence d'animation, on verra celle-ci se dérouler dans une fenêtre à l'écran. On entrevoit ainsi la souplesse et la puissance de ce type de langage.

Le langage C++ est disponible sur PC sous Windows dans des implémentations de Microsoft et de Borland et semblent devenir incontournables pour le développement d’applications professionnelles.

Les composants sont des objets (au sens de la programmation objet) réutilisables aisément et qui ont une interface visuelle incorporée. Les composants sous Windows sont appelés ‘ActiveX’ ou 'Com'. Il suffit de les déposer par ‘Drag-and-drop’ sur la fenêtre du programme pour ajouter leurs fonctionnalités à ce dernier. Le langage-type adapté aux composants se nomme Visual Basic.

Comme outil de prototypage pour l'ingénieur, une solution 'en or' semble bien être la combinaison d'un PC rapide avec Windows et le langage Visual Basic, facile d'emploi et très puissant, il permet d'écrire des applications au 'look' parfaitement professionnel en quelques heures (avec des fenêtres redimensionnables multiples, une aide en ligne, des graphiques en couleur, etc.).

A l'ingénieur, on ne peut que conseiller le langage orienté objet et composant VISUAL BASIC de Microsoft, puissant et efficace tant pour le calcul scientifique que pour les applications multimédia. De plus, la dernière version (6.0) inclut un compilateur qui produit un code presque aussi rapide que le Microsoft C++ (pénalité de moins de 30% dans de nombreux cas). Elle permet de plus de compiler soi-même ses propres composants ActiveX.

Si le rythme d'accroissement de performance continue, à l'âge de la pension, dans 40 ans, nous aurons des ordinateurs de poche de 10.000 Mips pour moins de 20 €.

Les machines neuronales représentent une des voies possibles de l'avenir de l'informatique. Il s'agit d'un ordinateur dont chaque circuit élémentaire simule un neurone humain. Il est donc en contact avec un certain nombre de ses voisins (quelques dizaines à quelques centaines) avec lesquels il échange de l'information. Chacun est en fait un microprocesseur avec sa mémoire et son programme propre. Une machine neuronale est divisée en 'couches'. La couche 1 est la plus proche des entrées-sorties et chaque neurone est relié à un périphérique élémentaire (un pixel de l'écran, une touche du clavier, etc.). Les autres couches (2 à n) sont d'autant plus éloignées des périphériques et de plus en plus 'au courant' d'événements provoqués par un grand nombre de neurones de la couche numéro 1.

Les machines neuronales n'ont guère été que des prototypes dans la décennie 1990, mais elles effectuent déjà des débuts prometteurs dans le domaine de la reconnaissance de formes ou l'interprétation de la parole, ou encore des cartes automatiques de guidage au tableau de bord des voitures (expériences en cours à Detroit, notamment). Malheureusement, les développements théoriques à réaliser semblent bien laborieux...

Un peu dans la ligne des machines neuronales, de nombreuses autres techniques informatiques sont (à peu près) mûres pour effectuer des tâches d'auto-apprentissage. Il s'agit de programmes dont la stratégie de fonctionnement s'améliore en fonction des feed-backs (retours d'information) qu'ils obtiennent après avoir fourni des résultats au monde extérieur. Nous rejoignons ici le domaine des systèmes experts et de l'intelligence artificielle. Certains logiciels (notamment en chimie organique, en recherche pétrolière et en toxicologie) utilisent déjà ce genre de techniques.

La technologie électronique évolue vite. Les ordinateurs suivent cette évolution. La technologie de circuits intégrés CMOS est celle qui a reculé les limites en 1989 avec l'apparition de la technologie biCMOS qui intègre les avantages de faible consommation des CMOS 'classiques' avec la rapidité des circuits bipolaires (TTL et High Speed Schottky TTL) (1990: biCMOS 0,5µ de Texas Instruments).

La technologie de 2002 chez Intel ou AMD implique l'usage de photogravure avec des traits d'une largeur de 0,13 microns environ. Pour les années suivantes, on attend une réduction de taille des circuits apportée par la photogravure sub-micronique (traits de l'ordre du dixième de micron de largeur) par usage de faisceaux d'électrons et de rayons X ‘durs’. Trois autres voies vont encore permettre d'augmenter la densité des circuits : Les multicouches de polysilicium qui permettent aux traces conductrices d'un circuit intégré de passer au dessus des transistors (Cyrix 1999 : 6 couches de métallisation) et non plus entre eux ; les transistors verticaux, une technique où les jonctions sont diffusées perpendiculairement à la surface du silicium et la métallisation au cuivre (lancée par IBM en 1998) au lieu d’aluminium qui permet, toutes autres choses égales de gagner 25% en vitesse (1400 MHz au lieu de 900MHz par exemple).

L'usage d'arséniure de gallium en lieu et place du silicium a progressé fortement au début des années 90, mais la consommation et la taille de ces circuits restent prohibitifs. Ici la taille des composants n'est pas aussi réduite, mais la vitesse est une dizaine de fois supérieure. Le CRAY-3 de 1991 était réalisé entièrement avec des circuits AsGa, mais le coût élevé de cette technologie est très difficile à réduire. SGI-Cray l’a donc abandonné au profit des microprocesseurs en silicium (le R-12000 en 1999 et bientôt des Intel Itanium). IBM étudie aussi une filière Silicium-Gallium.

La technologie électronique la plus rapide du monde est toujours en silicium, comme par exemple chez Sony qui a réalisé des transistors fonctionnant à 2200 GHz et qui nous promet des processeurs basés sur cette technique pour 2009. La taille de gravure de ces transistors est de 0,015µm !

On ne le répète jamais assez : la technologie évolue vite en informatique. Les connaissances acquises deviennent obsolètes en peu de temps. Vous pouvez oublier chaque année 10 % de vos acquis dans le domaine, mais pour survivre vous devrez énormément étudier. L'industrie demande des spécialistes en CAO d'aujourd'hui, pas des connaisseurs spécialisés dans les 'vieux' programmes datant de plus de 12 mois....

La source la plus intéressante d'information, c'est les mensuels (principalement ceux d'origine américaine). On en trouve deux catégories : les payants et les gratuits. Ne refusez pas syystématiquement les abonnements aux revues gratuites : la publicité est aussi de l'information.

Parmi les revues payantes intéressant le domaine CAO, on peut citer : COMPUTER GRAPHICS WORLD, AutoCAD Magazine (en français). La revue mensuelle indispensable à tout informaticien restent depuis des années reste PC Magazine (www.pcmag.com). On peut éventuellement y ajouter C++ Developper's journal (www.vcdj.com) .

De nombreux livres parlent d'infographie. Attention, les livres ne suivent pas toujours l'actualité au plus près. Restez donc vigilants et n'achetez pas des livres vieux de plus de 3 ans : c'est la limite maximale en informatique (il y a toutefois des livres qui sont régulièrement réédités pour tenir compte de l'actualité).

Dans le domaine du graphisme, on peut citer :

Computer Graphics de Vandam et Foley (considéré comme la 'bible' en infographie). Voir le site de Andries Van Dam à www.cs.brown.edu/people/avd .

Computer Graphics de Angel (moins volumineux, mais très clair). Détails ici : http://cseng.aw.com/book/0,,0201855712,00.html .

Ces deux ouvrages de références importants sont édités par Addison-Wesley.

Graphic Gems tomes 1 à 5 (éd. Academic Press)

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Chaque année, plusieurs expositions sont organisées dans le domaine CAO : citons le MICAD à Paris en février et CAD/CAM à Courtrai en octobre.

Il n'est pas possible de se rendre à tous les symposiums et conférences organisés dans le monde (la plus célèbre est le SIGGRAPH aux USA, chaque année dans une ville différente). Par contre obtenir le texte des exposés est presque toujours possible en écrivant au bureau organisant la conférence pour un coût plus ou moins élevé (de 50 € à 250 € en général). C'est une source très précieuse d'informations.

Les Serveurs informatiques américains ont en général une ou plusieurs boîtes aux lettres consacrées à la CAO. Ainsi, sur le réseau EARN (réseau interuniversitaire mondial),connecté à Internet, on peut accéder à plusieurs dizaines de gigabytes d'informations, de programmes (sources ou exécutables). Ce n'est pas gratuit, ni même bon marché, mais c'est terriblement efficace.

De nombreuses banques de données bibliographiques existent et peuvent être consultées par mots clés pour en extraire des informations utiles.

Internet

Faut-il préciser que c'est un outil de recherche d'information assez incontournable ? La liste des processeurs les plus puissants du monde est sur www.top50.org et pour tout savoir sur le PC, consultez www.PCGuide.com, pas toujours très à jour, mais fort complet. Les dernières nouvelles en informatique grand public sont sur www.tomshardware.com.