Realistic rendering of 3D graphics scenes often requires large amounts of data and processing. High resolution texture data, complex BRDFs, surface modification, and global illumination effects are often necessary to realistically render a synthetic scene, but achieving such effects with a reasonable balance between performance and quality in real-time remains a challenge. Virtual texture techniques have been developed in order to manage extremely high resolution texture data. This thesis describes the implementation of a technique which allows writing of projected texture data to a virtual texture in real-time, allowing infinite numbers of permanent highly detailed surface modifications without the performance or accuracy limitations of decal techniques used in current games. It also describes an implementation of a real-time renderer which uses measured BRDF data, and discusses how applying virtual texturing to measured BRDF data may allow accurate, fast rendering with realistic materials. Finally, it discusses how the virtual decal system can be used to allow artists or game players to interactively alter the material composition of scenes with many distinct measured BRDFs.

Approved for public release, distribution is unlimited / ine discrimination of similar soil classes was produced by the BRDF variations in the high-spatial resolution panchromatic image. Texture analysis results depended on the directionality of the gray level co-occurrence matrix (GLCM) calculation. Combining the different modalities of analysis did not improve the overall classification, perhaps illustrating the consequences of the Hughes paradox (Hughes, 1968) / Flight Lieutenant, Royal Thai Air Force

Le réalisme des objets en infographie exige de simuler adéquatement leur apparence sous divers éclairages et à différentes échelles. Une solution communément adoptée par les chercheurs consiste à mesurer avec l’aide d’appareils calibrés la réflectance d’un échantillon de surface réelle, pour ensuite l’encoder sous forme d’un modèle de réflectance (BRDF) ou d’une texture de réflectances (BTF). Malgré des avancées importantes, les données ainsi mises à la portée des artistes restent encore très peu utilisées. Cette réticence pourrait s’expliquer par deux raisons principales : (1) la quantité et la qualité de mesures disponibles et (2) la taille des données. Ce travail propose de s’attaquer à ces deux problèmes sous l’angle de la simulation. Nous conjecturons que le niveau de réalisme du rendu en infographie produit déjà des résultats satisfaisants avec les techniques actuelles. Ainsi, nous proposons de précalculer et encoder dans une BTF augmentée les effets d’éclairage sur une géométrie, qui sera par la suite appliquée sur les surfaces. Ce précalcul de rendu et textures étant déjà bien adopté par les artistes, il pourra mieux s’insérer dans leurs réalisations. Pour nous assurer que ce modèle répond aussi aux exigences des représentations multi-échelles, nous proposons aussi une adaptation des BTFs à un encodage de type MIP map. / The realism of objects in computer graphics requires adequate simulation of their appearence under different light/view directions and at various scales. A solution commonly adopted by researchers consists in measuring the reflectance of a real surface by means of calibrated devices. The measured data is encoded in the form of a reflectance model (BRDF) or a texture of reflectance (BTF). Despite significant progress in this area, the measured appearence data remain very infrequently used. This reluctance could be explained by two main reasons: (1) the limited number of high-quality measured materials and (2) the huge storage space required by the data. In this work, we suggest resolving these two problems from the angle of simulation. We consider that the level of realism in rendered images already produces satisfactory results with current techniques. Therefore, we propose to precompute and encode the effects of lighting on a completely synthetic micro-geometry, which will be applied on surfaces. This production pipeline being already well adopted by artists, it should better fit into their realizations. To ensure that this model also respects the requirements of multi-scale representations, we also propose an adaptation of the BTF to a MIP map encoding.

L'émergence des périphériques de capture numériques ont permis le dé- veloppement de l'acquisition 3D pour numériser les propriétés d'un objet réel : sa forme et son apparence. Ce processus fournit une représentation dense et précise d'objets réels et permet de s'abstraire d'un processus de simulation physique coûteux pour modéliser un objet. Ainsi, les problématiques ont évolué et portent non plus uniquement sur la modélisation des caractéristiques d'un objet réel mais sur les traitements de données issues de l'acquisition pour intégrer une copie de la réalité dans un processus de synthèse d'images. Dans ces travaux de thèse, nous proposons de nouvelles représentations pour des fonctions d'apparence issues de l'acquisition dont le but est de dénir un ensemble de modèles multi-échelles, de faible complexité en taille, capable d'être visualisé en temps réel sur le matériel graphique actuel.

Les nouvelles réglementations concernant les usages de produits phytosanitaires et la prise en compte de l'environnement (pollution, biodiversité) en agriculture ont conduit à la mise au point de méthodes d'identification de plantes (culture et adventices) par une gestion spécifique des adventices par imagerie. Afin de disposer d'un outil performant permettant l'évaluation de ces méthodes d'identification reposant sur une analyse spatiale de la scène photographiée, un modèle de simulation de scènes agronomiques a été mis au point. Prenant en considération certaines caractéristiques agronomiques d'une parcelle cultivée, ce modèle permet de simuler une vérité terrain dont les paramètres - la spatialisation de la culture, le taux d'infestation, la distribution des adventices - sont contrôlés. La scène agronomique ainsi créée subit ensuite une transformation projective afin de simuler la prise de photographie et, ainsi, de prendre en compte tous les paramètres nécessaire à la création d'une image. Ce modèle a ensuite été validé à l'aide de comparaison statistique avec des données réelles. De nouveaux algorithmes spatiaux basés sur la Transformée de Hough et utilisant l'alignement en rang de la culture ont également été développés. Trois méthodes basées sur une analyse en composante connexe, une estimation de contours et une méthode probabiliste ont été mises en œuvre et exhaustivement évaluées à l'aide du modèle développé. Les résultats obtenus sont de très bonne qualité avec une classification correcte de la culture et des adventices supérieure à 90% et pouvant atteindre 98% dans certains cas. Enfin, pour ce modèle, une approche spectrale a également été explorée afin de dépasser les limitations imposées par les méthodes spatiales. Une extension 3D a été apportée à ce modèle afin de permettre la simulation de la réflectance bidirectionnelle (BRDF) des plantes et du sol à l'aide des modèles PROSPECT et SOILSPECT. La transformation d'une information spectrale en une information couleur RGB, la prise en compte de filtres optiques ou la création de données multispectrales sont également discutées.

Stereocomplex poly(methyl methacrylate) (PMMA) fibers for the purpose of reinforcing PMMA materials were developed. These kinds of composites are known as "self-reinforced" composites. We were successful in producing stereocomplex PMMA fibers with three different methods - wet spinning, gel spinning and electrospinning. Gel spinning and electrospinning produced the most crystalline fibers. Steroecomplex PMMA fibers were further shown to be resistant to high temperature and also to hot monomer solvent during bulk polymerization. We further describe our efforts in characterization, replication and mimicry of structural color features of butterflies and beetles. We have developed a simple method of characterizing the bidirectional reflectance distribution function of microscopic objects such as butterfly wing scales. We used this method to characterize nanometer sized structural color features resulting from the replication of butterfly Morpho rhetenor, mimickry of butterfly Papilio palinurus and also the native structural color features of iridescent beetle Chrysina gloriosa, which were shown to be cholesteric focal conic defects lined on the surface.

Le réalisme des objets en infographie exige de simuler adéquatement leur apparence sous divers éclairages et à différentes échelles. Une solution communément adoptée par les chercheurs consiste à mesurer avec l’aide d’appareils calibrés la réflectance d’un échantillon de surface réelle, pour ensuite l’encoder sous forme d’un modèle de réflectance (BRDF) ou d’une texture de réflectances (BTF). Malgré des avancées importantes, les données ainsi mises à la portée des artistes restent encore très peu utilisées. Cette réticence pourrait s’expliquer par deux raisons principales : (1) la quantité et la qualité de mesures disponibles et (2) la taille des données. Ce travail propose de s’attaquer à ces deux problèmes sous l’angle de la simulation. Nous conjecturons que le niveau de réalisme du rendu en infographie produit déjà des résultats satisfaisants avec les techniques actuelles. Ainsi, nous proposons de précalculer et encoder dans une BTF augmentée les effets d’éclairage sur une géométrie, qui sera par la suite appliquée sur les surfaces. Ce précalcul de rendu et textures étant déjà bien adopté par les artistes, il pourra mieux s’insérer dans leurs réalisations. Pour nous assurer que ce modèle répond aussi aux exigences des représentations multi-échelles, nous proposons aussi une adaptation des BTFs à un encodage de type MIP map. / The realism of objects in computer graphics requires adequate simulation of their appearence under different light/view directions and at various scales. A solution commonly adopted by researchers consists in measuring the reflectance of a real surface by means of calibrated devices. The measured data is encoded in the form of a reflectance model (BRDF) or a texture of reflectance (BTF). Despite significant progress in this area, the measured appearence data remain very infrequently used. This reluctance could be explained by two main reasons: (1) the limited number of high-quality measured materials and (2) the huge storage space required by the data. In this work, we suggest resolving these two problems from the angle of simulation. We consider that the level of realism in rendered images already produces satisfactory results with current techniques. Therefore, we propose to precompute and encode the effects of lighting on a completely synthetic micro-geometry, which will be applied on surfaces. This production pipeline being already well adopted by artists, it should better fit into their realizations. To ensure that this model also respects the requirements of multi-scale representations, we also propose an adaptation of the BTF to a MIP map encoding.

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In the past few years, studies regarding new bio-based materials have led to an increased attention in the nanoscale product of cellulose, called nanocellulose. This biodegradable and renewable material has interesting physical, optical and thermal properties. The optical properties could be affected by tuning the nanostructure of the material, which makes it interesting for further investigation. The promising properties of nanocellulose can be useful in many different applications. The aim of this work was therefore to study the optical properties of nanocellulose, and to examine if the material is suitable for spectral design of camouflage or in passive cooling applications. The optical properties of a nanocellulose, specifically cellulose nanofiber (CNF), have been studied. Freestanding CNF films and CNF films deposited on glass substrates were made and characterized by spectroscopy, ellipsometry, BRDF measurements, and optical microscopy. The freestanding samples were examined with different CNF concentrations of 0.52% and 1.0%, and different thicknesses. The samples on glass substrates all had a concentration of 1.0% CNF, but with different amount deposited solution which was either drop or spin coated. The freestanding CNF samples show high transmission in the visual region and relatively high emissivity in the atmospheric windows. This implies that it can be used as an effective material for passive radiative cooling. A thicker sample could also be used to increase the emissivity in the atmospheric windows and improve the ability for passive cooling. The low reflectance, and high emissivity in the atmospheric windows can be promising for use in camouflage applications, according to earlier studies. However, the suitable properties are very dependent on the spectral response of the background. Additional measurements need to be performed and more specified scenarios are necessary to draw any further conclusions.

L'imagerie numérique, de la synthèse d'images à la vision par ordinateur est en train de connaître une forte évolution, due entre autres facteurs à la démocratisation et au succès commercial des caméras 3D. Dans le même contexte, l'impression 3D grand public, qui est en train de vivre un essor fulgurant, contribue à la forte demande sur ce type de caméra pour les besoins de la numérisation 3D. L'objectif de cette thèse est d'acquérir et de maîtriser un savoir-faire dans le domaine de la capture/acquisition de modèles 3D en particulier sur l'aspect rendu réaliste. La réalisation d'un scanner 3D à partir d'une caméra RGB-D fait partie de l'objectif. Lors de la phase d'acquisition, en particulier pour un dispositif portable, on est confronté à deux problèmes principaux, le problème lié au référentiel de chaque capture et le rendu final de l'objet reconstruit. / Digital imaging, from the synthesis of images to computer vision isexperiencing a strong evolution, due among other factors to the democratization and commercial success of 3D cameras. In the same context, the consumer 3D printing, which is experiencing a rapid rise, contributes to the strong demand for this type of camera for the needs of 3D scanning. The objective of this thesis is to acquire and master a know-how in the field of the capture / acquisition of 3D models in particular on the rendered aspect. The realization of a 3D scanner from a RGB-D camera is part of the goal. During the acquisition phase, especially for a portable device, there are two main problems, the problem related to the repository of each capture and the final rendering of the reconstructed object.