Reproduire efficacement l'apparence réaliste des matériaux est un problème crucial pour la synthèse d'images réalistes dans les productions cinématographiques et les jeux vidéo. Outre le transport global de la lumière, le réalisme d'une image de synthèse passe avant tout par une modélisation correcte du transport local, c'est-à-dire les interactions entre lumière et matière. La modélisation de ces interactions donne lieu à une grande variété de modèles de réflectance. Nous proposons une classification de ces modèles en s'appuyant sur l'échelle des détails géométriques abstraits. À partir de cette classification, nous étudions des modèles de réflectance particuliers : * un modèle de transmission pour les surfaces transparentes et rugueuses, tels que le verre dépoli. Son efficacité permet une utilisation au sein applications temps-réel * une analyse et une modélisation du transport de la lumière dans les matériaux composés d'agrégats de particules * une base alternative aux harmoniques sphériques pour représenter et illuminer efficacement les matériaux mesurés ayant une réflectance à basses fréquences. Ces modèles permettent une abstraction efficace des interactions locales tout en conservant la reproduction de leurs effets réalistes. / Reproducing efficiently the appearance of complex materials is a crucial problem in the synthesis of realistic images widely involved in the production of video games and movies. Apart from global light transport, the realism of a synthetic image is in large part due to the adequate modeling of local light transport, i.e. the interactions between light and matter. Modeling these interactions gives rise to a large variety of reflectance models. We therefore propose a classification of these models based on the scales of their abstract geometric details. From this classification, we can study particular reflectance models: a transmitting reflectance model for transparent rough surfaces such a frosted glass. The efficiency of our model allows real-time performances, a study and a model of energy propagation in material composed of dense packed discrete particles, an alternative basis for representing and lighting efficiently measured materials having a low frequency reflectance. These models permit the abstraction of local interactions while keeping the realism of fully simulated local light transport models.

L'objectif de cette thèse est lerendu de scène virtuelles extrêmement détaillées.Nous nous intéressons plus particulièrementaux algorithmes de rendu de haute qualitéreposant sur du path tracing qui sont très largement utilisésdans l'industrie des effets spéciaux et pour calculerle rendu des films d'animations.Les grandes quantités de détail nécessaires à la modélisationde mondes virtuels crédibles soulèvent de sérieux problèmes d'efficacitédu rendu qui paralysent les studios et compliquent grandementle travail des artistes. Nous introduisons de nouveaux algorithmespour préfiltrer les objets 3D complexes à des échelles arbitraires,afin de réduire les temps de chargement, les coûts d'intersection des rayons lumineux,le calcul des matériaux et la quantité de bruit dans les images,le tout sans porter atteinte à la qualité du rendu.Nos contributions principales sont une nouvelle approchehybride de niveaux de détail qui allie les avantages des maillageset des représentations volumiques pour le préfiltrage des objets complexes àdes échelles arbitraires, ainsi qu'une nouvelle approchede préfiltrage pour le cas des volumes hétérogènes de haute résolution. / We address the problem of rendering extremely complex virtualscenes with large amounts of detail. We focuson high-end off-line rendering algorithms based on path tracing thatare intensively used in the special effects and 3D animation industries.The large amounts of detail required for creating believable virtual worldsraise important efficiency problemsthat paralyze production rendering pipelines andgreatly complicate the work of 3D artists.We introduce new algorithms for prefilteringcomplex 3D assets while preserving their appearanceat all scales, in order to reduce loading times,ray intersection costs, shading costs and Monte Carlo noise,without lowering the quality of rendered frames.Our main contributions are a new hybrid LODapproach that combines the benefits ofmeshes and volumetric representationsfor prefiltering complex 3D assets,as well as a new approach for prefilteringhigh-resolution heterogeneous participatingmedia.

Ray tracing is widely used technique for realistic rendering of computer scenes. Its major drawback is time needed to compute the image, therefore it's usually parallelized. This thesis describes parallelization and ray tracing in general. It explains the possibility of how can be ray tracing parallelized as well as it defines the problems which may occur during the process. The result is parallel rendering application which uses selected ray tracing software and measurement of how successful this application is.

Textures are used widely in computer graphics to represent fine visual details and produce realistic looking images. Often it is necessary to remove some foreground object from the scene. Removal of the portion creates one or more holes in the texture image. These holes need to be filled to complete the image. Various methods like clone brush strokes and compositing processes are used to carry out this completion. User skill is required in such methods. Texture synthesis can also be used to complete regions where the texture is stationary or structured. Reconstructing methods can be used to fill in large-scale missing regions by interpolation. Inpainting is suitable for relatively small, smooth and non-textured regions. A number of other approaches focus on the edge and contour completion aspect of the problem. In this thesis we present a novel approach for addressing this image completion problem. Our approach focuses on image based completion, with no knowledge of the underlying scene. In natural images there is a strong horizontal orientation of texture/color distribution. We exploit this fact in our proposed algorithm to fill in missing regions from natural images. We follow the principle of figural familiarity and use the image as our training set to complete the image.

This thesis evaluates and tests different methods utilized to produce a 2D aesthetic within a 3D pipeline, as in, converting 3D geometry to an aesthetic that is similar to hand-drawn classic films such as Snow White And The Seven Dwarfs. This thesis explores methods to produce both exterior and interior lines that indicate shape and form of 3D models, the conclusion from the tested methods leaves with the statement that it is unlikely the human factor will be ever entirely replaced by automated solutions, and instead a mixed approach with shader relied solutions and involvement of texturing techniques which provides artistic controls where necessary, is deemed to be the most effective way of preserving the hand-drawn 2D aesthetic within a 3D-pipeline.

Les plantes ont longtemps intrigué les scientifiques, qui, avec son importance vitale pour la planète, sa beauté et l'énorme quantité de formes ayant, les rend un sujet attrayant pour la recherche. Un aspect intéressant est la création d'un modèle virtuel capable de simuler de vraies plantes avec un degré élevé de précision. L'objectif de notre étude est les plantes à fleurs, qui jouent un rôle énorme dans notre vie de fins nutritives et médicales à l'embellissement de l'environnement . L'obtention d'un modèle géométrique exacte d'une fleur est très utile, car elle joue un rôle important dans la validation du modèle virtuel. Par ailleurs, la visualisation de paramètres non directement traçables dans les plantes à fleurs vivantes est d'une grande aide à l'étude de la physiologie. L'énorme biodiversité entre les différentes parties d'un spécimen et entre les différents spécimens fournit une vaste zone d'objectifs qui la synthèse d'image doit contester. Modéliser des fleurs est un sous-ensemble d'un espace de recherche beaucoup plus vaste que la modélisation de plantes. Les plantes à fleurs ont des caractéristiques structurelles qui les rendent différentes des structures d'arbres, d’arbustes ou de l’herbe. A ce jour, on ne tient pas une grande importance à essayer cette ligne de recherche d'une façon particulière et en général a été classé dans le contexte plus large de la modélisation des plantes. Nous avons choisi d’utiliser le «L-systems» pour la procédure de la modélisation, et comme base pour notre recherche. Il y a différents mécanismes de catégorisation topologie de la plante dans chacune des étapes de sa croissance. Pour construire le plan de la structure d'une plante, avec une courte grammaire, quelques lignes étaient quelque chose qui dès le premier moment a suscité l'intérêt et par la suite évolué en quelques systèmes d'interprétation géométriques pour la modélisation des plantes. Notre objectif est d'étudier les moyens efficaces de décrire la structure des plantes à fleurs en utilisant L-systems. Tout d'abord, nous proposons de représenter les formes des feuilles, pétales, étamines, carpelles, etc. Avec une extension de L-systems - un modèle basé sur trois cartes généralisées dimensions - 3Gmaps L-systèmes, qui peut être appliquée avec succès pour la modélisation des plantes à fleurs. La description de la grammaire de la structure des plantes à fleurs fournit un nombre illimité de ses interprétations géométriques. Deuxièmement, nous allons améliorer le processus d'écriture de la grammaire par l'ajout d'une nouvelle fonctionnalité de paramétrage interactif. Troisièmement, nous allons proposer une nouvelle méthode de modélisation inverse des plantes à fleurs, où l'utilisateur peut définir de manière interactive les caractéristiques des fleurs. L'algorithme utilise cette information comme une entrée, qui est ensuite analysée et codée en tant que L -systèmes grammaire. Enfin, nous allons présenter une méthode pour créer des clairières de fleurs virtuelles à l'aide de gestes Kinect. Nous voulons faire remarquer que notre travail a été fait avec la plateforme de logiciel 3Gmaps L- système développé dans le cadre de la thèse d'intégrer toutes les techniques proposées. / Plants have always intrigued scientists as besides of its sheer importance for the earth, their beauty and enormous variety of shapes tempt to thoroughly inquire about its nature. One of the aspects of this inquiry is the creation of the virtual model in order to mimic real plants to a high degree of accuracy. The focus of our study is the flowering plants, which play a huge role in our life from nutritive and medical purposes to beautifying the environment. Obtaining an accurate geometrical model of a flower is quite useful as it plays an important role in the validation of the virtual model. Besides, the visualization of parameters not traceable directly in living flowering plants is a stand-by in studying their physiology. A huge biological diversity both within and between individuals provides a vast area of objectives which the image synthesis must challenge.Flower modelling constitutes a part of a larger research area, plant modelling. Flowering plants have their particular structural features which are different from the structure of trees, bushes or grass. Still not a lot of emphasis has been placed to date on this problem, as it was categorized within the modelling of plants in general. We chose a procedural modeling using L-systems as a base of our research. L-system is a very powerful method of plant simulation. It provides a means of characterizing the topology of a plant at every stage of its growth. Grasping the plant structure with just several lines of grammar attracted immediate interest and later on evolved into several powerful geometrical interpretation system used in plant modelling. Our purpose is to study efficient ways of describing the structure of flowering plants by means of L-systems. First, we will propose to represent the shapes of leafs, petals, stamens, carpels, etc. with an extension of L-systems – a model based on three dimensional generalized maps – 3Gmaps L-systems, which can be successfully applied for the modelling of flowering plants. The grammar description of the structure of the flowering plants provides an unlimited number of its geometrical interpretations. Second, we will improve the process of grammar writing by adding a new functionality of interactive parameter adjustment. Third, we will propose a new method of inverse modelling of flowering plants, where the user can interactively define the flower characteristics. The algorithm uses this information as an input, which is then analyzed and coded as L-systems grammar. Finally, we will present a method for creating virtual glades of flowers using Kinect gestures. We want to remark that our work has been done with 3Gmaps L-system software platform developed in the scope of the thesis to integrate all the proposed techniques.

Etre capable de capturer et de synthétiser des comportements réalistes est un sujet de recherche important en Informatique Graphique. Mais, pour produire des images réalistes, il ne suffit pas de représenter les matériaux de manière fiable, il faut également prendre en compte leurs évolutions dans le temps. La simulation des effets de vieillissement est le domaine de la recherche qui s’intéresse à la prise en compte de la détérioration des modèles virtuels. Après avoir étudié les travaux précédents dans ce domaine, nous avons constaté qu’il y a un manque d’estimation pour certains paramètres environnementaux importants ainsi qu’un besoin de modèles globaux qui tiennent compte des interactions des facteurs intervenants dans les grandes scènes. De plus, nous avons observées que l’amélioration des techniques actuelles nécessite intégrer les caractéristiques physiques réelles pour éviter la déconnection des processus réels, ce qui doit donc être analysés et compris. Dans cette thèse, nous visons à améliorer la simulation du vieillissement en Informatique Graphique sous les trois angles suivants. Concernant l’estimation des facteurs de vieillissement, nous proposons d’abord de traiter un facteur sous-estimé dans la littérature mais qui est très important dans les processus de vieillissement : le soleil. Plus spécifiquement, nous proposons une technique interactive qui estime l’exposition solaire sur des scènes urbaines détaillées. Compte tenu d’une carte d’exposition directionnelle calculée sur une période donnée, nous estimons le facteur de visibilité du ciel qui sert à évaluer l’exposition finale à chaque point visible. Ceci est fait en utilisant une méthode espace-écran basée sur une approche à deux échelles, qui est indépendante de la géométrie et qui a un coût bas en stockage. Notre méthode aboutit à une technique intéressante non seulement pour les simulations de vieillissement, mais également en architecture, dans la conception de bâtiments durables et dans l’estimation de la performance énergétique des bâtiments. Ensuite, nous introduisons un modèle global permettant de simuler les changements d’apparence des bâtiments liés aux dépôts de pollution. Ce processus est très visible sur les scènes urbaines et, jusqu’à présent, aucune technique n’a été proposée en utilisant une approche globale (sur une ville entière). Nous proposons ici une technique basée sur la physique considérant que les effets de la pollution dépendent de trois facteurs principaux : l’exposition au vent, à la pluie et au soleil. Cette approche prend en compte trois étapes : le dépôt, la réaction et le lavage. Avec un pré-calcul à bas coût, nous évaluons la distribution de la pollution dans la ville. Puis, par le biais d’opérateurs espace-écran, nous proposons une méthode efficace capable de générer des images réalistes en temps interactifs. De plus, le pré-calcul n’exige qu’une quantité réduite de mémoire pour stocker la carte de pollution et, comme la méthode utilisée est indépendante de la complexité de la scène, elle peut s’adapter à des modèles complexes et de grande taille en ajustant la résolution de la carte. Finalement, afin de mieux appréhender les processus de vieillissement, nous présentons une méthode permettant de prendre en compte l’effet d’écaillage sur les monuments en pierre avec très peu d’interaction de l’utilisateur. / Being able to capture and synthesize realistic materials is an important research topic in Computer Graphics. In order to render realistic images it is not enough to represent materials reliably, but we also need to represent its temporal component. Simulation of weathering effects is the research area that pursues the incorporation of decay to virtual models. After studying the previous work, we have found that there is a lack of estimation methods for some important environmental parameters and a need of global models that consider the interactions of the environmental factors in big scenes. Moreover, we have observed that the improvement of current techniques need to incorporate real effects characteristics to avoid the current disconnection from the real processes. But, this need to be first analyzed and understood. In this thesis, we aim to improve weathering simulation in Computer Graphics in these three fronts. Concerning weathering factors estimation, we first propose to deal with an undervalued factor in weathering literature which is very important in aging processes: the sun. More specifically, we propose an interactive technique that estimates solar exposure on detailed urban scenes. Given a directional exposure map computed over a given time period, we estimate the sky visibility factor that serves to evaluate the final exposure at each visible point. This is done using a screen-space method based on a two-scale approach, which is geometry independent and has low storage costs. Our method results in an interesting technique not only in weathering simulations, but also in architecture, in sustainable building design and in the estimation of buildings’ energy performance. After that, we introduce a global model to simulate the changes of appearance of buildings due to pollution deposition. This process is very noticeable on urban scenes and, so far, no technique has dealt with it using a global approach. We propose a physically-based technique that considers pollution effects to depend on three main factors: wind, rain and sun exposure, and that takes into account three intervening steps: deposition, reaction and washing. With a low-cost pre-computation step, we evaluate the pollution distribution through the city. Based on this distribution and the use of screen-space operators, our method results in an efficient approach that generate realistic images of polluted surfaces at interactive rates. In addition, the pre-computation demands a reduced amount of memory to store the pollution map and, as it is independent from scene complexity, it can suit large and complex models adapting its resolution. Finally, in order to improve the understanding of weathering processes, we present a method to identify and map “scaling” weathering effects on stone monuments with very little user interaction.

[pt] Esta dissertação de mestrado apresenta um método para simular cenas de mar para TV/Cinema com um grande número de agentes de vários tipos (embarcações, portos, pessoas, ...) para produções com elevado grau de realismo de imagem e comportamento dos agentes. Este método usa modelagem em lógica nebulosa (fuzzy) e programação no sistema MASSIVE de maneira a integrar os resultados com sistemas de rendering e composição de imagens de alta resolução. Um objetivo importante desta dissertação é criar um sistema que facilita o trabalho de modeladores e designers envolvidos no pipeline de produção. / [en] This MSc dissertation presents a method to simulate sea scenes for TV / Film with a large number of agents of various types (vessels, ports, people ...) for productions with a high degree of realism in both image and agent s behavior. This method uses modeling in fuzzy logic and programming in the MASSIVE system as the main approach to integrate the results with rendering systems and high-resolution images composition. An important goal of this dissertation is to create a system that facilitates the work of modelers and designers involved in the production pipeline.

Le travail présenté dans ce mémoire a pour cadre le dispositif de réalité mixte ray-on, conçu par la société on-situ. Ce dispositif, dédié à la mise en valeur du patrimoine architectural et en particulier d'édifices historiques, est installé sur le lieu de l'édifice et propose à l'utilisateur une vision uchronique de celui-ci. Le parti pris étant celui du photo-réalisme, deux pistes ont été suivies : l'amélioration du mélange réel virtuel par la reproduction de l'éclairage réel sur les objets virtuels, et la mise en place d'une méthode de segmentation d'image résiliente aux changements lumineux.Pour la reproduction de l'éclairage, une méthode de rendu basé-image est utilisée et associée à une capture haute dynamique de l'environnement lumineux. Une attention particulière est portée pour que ces deux phases soient justes photométriquement et colorimétriquement. Pour évaluer la qualité de la chaîne de reproduction de l'éclairage, une scène test constituée d'une mire de couleur calibrée est mise en place, et capturée sous de multiples éclairages par un couple de caméra, l'une capturant une image de la mire, l'autre une image de l'environnement lumineux. L'image réelle est alors comparée au rendu virtuel de la même scène, éclairée par cette seconde image.La segmentation résiliente aux changements lumineux a été développée à partir d'une classe d'algorithmes de segmentation globale de l'image, considérant celle-ci comme un graphe où trouver la coupe minimale séparant l'arrière plan et l'avant plan. L'intervention manuelle nécessaire à ces algorithmes a été remplacée par une pré-segmentation de moindre qualité à partir d'une carte de profondeur, cette pré-segmentation étant alors utilisée comme une graîne pour la segmentation finale. / The work described in this report has as a target the mixed reality device ray-on, developed by the on-situ company. This device, dedicated to cultural heritage and specifically architectural heritage, is meant to be installed on-site and shows the user an uchronic view of its surroundings. As the chosen stance is to display photo-realistic images, two trails were followed: the improvement of the real-virtual merging by reproducing accurately the real lighting on the virtual objects, and the development of a real-time segmentation method which is resilient to lighting changes.Regarding lighting reproduction, an image-based rendering method is used in addition to a high dynamic range capture of the lighting environment. The emphasis is put on the photometric and colorimetric correctness of these two steps. To measure the quality of the lighting reproduction chain, a test scene is set up with a calibrated color checker, captured by a camera while another camera is grabbing the lighting environment. The image of the real scene is then compared to the simulation of the same scene, enlightened by the light probe.Segmentation resilient to lighting changes is developed from a set of global image segmentation methods, which consider an image as a graph where a cut of minimal energy has to be found between the foreground and the background. These methods being semi-automatic, the manual part is replaced by a low resolution pre-segmentation based on the depthmap of the scene which is used as a seed for the final segmentation.

Les images de synthèse sont présentes à travers un grand nombre d'applications tel que les jeux vidéo, le cinéma, l'architecture, la publicité, l'art, la réalité virtuelle, la visualisation scientifique, l'ingénierie en éclairage, etc. En conséquence, la demande en photoréalisme et techniques de rendu rapide ne cesse d'augmenter. Le rendu réaliste d'une scène virtuelle nécessite l'estimation de son illumination globale grâce à une simulation du transport de lumière, un processus coûteux en temps de calcul dont la vitesse de convergence diminue généralement lorsque la complexité de la scène augmente. En particulier, une forte illumination indirecte combinée à de nombreuses occlusions constitue une caractéristique globale de la scène que les techniques existantes ont du mal à gérer. Cette thèse s'intéresse à ce problème à travers l'application de techniques d'analyse de formes pour le rendu 3D.Notre principal outil est un squelette curviligne du vide de la scène, représenté par un graphe contenant des informations sur la topologie et la géométrie de la scène. Ce squelette nous permet de proposer de nouvelles méthodes pour améliorer des techniques de rendu temps réel et non temps réel. Concernant le rendu temps réel, nous utilisons les informations géométriques du squelette afin d'approximer le rendu des ombres projetés par un grand nombre de points virtuels de lumière représentant l'illumination indirecte de la scène 3D.Pour ce qui est du rendu non temps réel, nos travaux se concentrent sur des algorithmes basés sur l'échantillonnage de chemins, constituant actuellement le principal paradigme en rendu physiquement plausible. Notre squelette mène au développement de nouvelles stratégies d'échantillonnage de chemins, guidés par des caractéristiques topologiques et géométriques. Nous adressons également ce problème à l'aide d'un second outil d'analyse de formes: la fonction d'ouverture du vide de la scène, décrivant l'épaisseur locale du vide en chacun de ses points. Nos contributions offrent une amélioration des méthodes existantes and indiquent clairement que l'analyse de formes offre de nombreuses opportunités pour le développement de nouvelles techniques de rendu 3D / Nowadays, computer generated images can be found everywhere, through a wide range of applications such as video games, cinema, architecture, publicity, artistic design, virtual reality, scientific visualization, lighting engineering, etc. Consequently, the need for visual realism and fast rendering is increasingly growing. Realistic rendering involves the estimation of global illumination through light transport simulation, a time consuming process for which the convergence rate generally decreases as the complexity of the input virtual 3D scene increases. In particular, occlusions and strong indirect illumination are global features of the scene that are difficult to handle efficiently with existing techniques. This thesis addresses this problem through the application of discrete shape analysis to rendering. Our main tool is a curvilinear skeleton of the empty space of the scene, a sparse graph containing important geometric and topological information about the structure of the scene. By taking advantage of this skeleton, we propose new methods to improve both real-time and off-line rendering methods. Concerning real-time rendering, we exploit geometric information carried by the skeleton for the approximation of shadows casted by a large set of virtual point lights representing the indirect illumination of the 3D scene. Regarding off-line rendering, our works focus on algorithms based on path sampling, that constitute the main paradigm of state-of-the-art methods addressing physically based rendering. Our skeleton leads to new efficient path sampling strategies guided by topological and geometric features. Addressing the same problem, we also propose a sampling strategy based on a second tool from discrete shape analysis: the opening function of the empty space of the scene, describing the local thickness of that space at each point. Our contributions demonstrate improvements over existing approaches and clearly indicate that discrete shape analysis offers many opportunities for the development of new rendering techniques