Physically-based rendering in Computer Graphics requires the knowledge of material properties other than 3D shapes, textures and colors, in order to solve the rendering equation. A number of material models have been developed, since no model is currently able to reproduce the full range of available materials. Although only few material models have been widely adopted in current rendering systems, the lack of standardisation causes several issues in the 3D modelling workflow, leading to a heavy tool dependency of material appearance. In industry, final decisions about products are often based on a virtual prototype, a crucial step for the production pipeline, usually developed by a collaborations among several departments, which exchange data. Unfortunately, exchanged data often tends to differ from the original, when imported into a different application. As a result, delivering consistent visual results requires time, labour and computational cost. This thesis begins with an examination of the current state of the art in material appearance representation and capture, in order to identify a suitable strategy to tackle material appearance consistency. Automatic solutions to this problem are suggested in this work, accounting for the constraints of real-world scenarios, where the only available information is a reference rendering and the renderer used to obtain it, with no access to the implementation of the shaders. In particular, two image-based frameworks are proposed, working under these constraints. The first one, validated by means of perceptual studies, is aimed to the remapping of BRDF parameters and useful when the parameters used for the reference rendering are available. The second one provides consistent material appearance across different renderers, even when the parameters used for the reference are unknown. It allows the selection of an arbitrary reference rendering tool, and manipulates the output of other renderers in order to be consistent with the reference.

En informatique graphique, le rendu des matériaux occupe une place très importante dans la qualité de l’image finale. De nombreux modèles ont contribué à améliorer l’apparence des matériaux. Aujourd’hui, certains matériaux restent encore difficiles à représenter à cause de leur complexité. Parmi ceux ci,la famille des matériaux anisotropes reste peu étudiée et complexe. Dans cette thèse nous proposons une meilleure compréhension des matériaux anisotropes au travers d’un modèle pour les représenter ainsi qu’un outil permettant de mieux en contrôler l’apparence. Notre modèle de matériaux brossés ou rayés se base sur la simulation du transport lumineux au sein de la micro-géométrie d’une rayure pour restituer tous les détails en conservant des temps de rendus suffisamment courts pour rendre la scène de manière interactive.Notre outil d’édition des reflets anisotropes utilise le champ d’orientation des BRDF pour donner à l’utilisateur l’impression de dessiner ou de déformer des reflets directement sur l’objet. / In computer graphics, material appearance is a fundamental component of the final image quality. Many models have contributed to improve material appearance. Today, some materials remains hard to represent because of their complexity. Among them, anisotopic materials are especially complex and little studied. In this thesis, we propose a better comprehension of anisotropic materials providing a representation model and an editing tool to control their appearance. Our scratched material model is based on a light transport simulation in the micro-geometry of a scratch, preserves all the details and keeps an interactive rendering time. Our anisotropic reflections edition tool uses BRDF orientation fields to give the user the impression to draw or deform reflections directly on the surface.

Cette thèse présente quelques avancées sur la représentation efficace de l’apparence matérielle dans une simulation de l’éclairage. Nous présentons deux contributions : un algorithme pratique de simulation interactive pour rendre la réflectance mesurée avec une géométrie dynamique en utilisant une analyse fréquentielle du transport de l’énergie lumineuse et le shading hiérarchique et sur-échantillonnage dans un contexte deferred shading, et une nouvelle fonction de distribution pour le modèle de BRDF de Cook-Torrance. Dans la première partie, nous présentons une analyse fréquentielle de transport de l’éclairage en temps réel. La bande passante et la variance sont fonction de l’éclairage incident, de la distance parcourue par la lumière, de la BRDF et de la texture, et de la configuration de la géométrie (la courbure). Nous utilisons ces informations pour sous-échantillonner l’image en utilisant un nombre adaptatif d’échantillons. Nous calculons l’éclairage de façon hiérarchique, en un seul passage. Notre algorithme est implémenté dans un cadre de deferred shading, et fonctionne avec des fonctions de réflectance quelconques, y compris mesurées. Nous proposons deux extensions : pré-convolution de l’éclairage incident pour plus d’efficacité, et anti-aliasing utilisant l’information de fréquence. Dans la deuxième partie, nous nous intéressons aux fonction de réflectance a base de micro-facette, comme le modèle de Cook-Torrance. En nous basant sur les réflectances mesurées, nous proposons une nouvelle distribution des micro-facettes. Cette distribution, Shifted Gamma Distribution, s’adapte aux donnée avec plus de précision. Nous montrons également comment calculer la fonction d’ombrage et de masquage pour cette distribution. Dans un deuxième temps, nous observons que pour certains matériaux, le coefficient de Fresnel ne suit pas l’approximation de Schlick. Nous proposons une généralisation de cette approximation qui correspond mieux aux données mesurées. Nous proposons par ailleurs une nouvelle technique d’optimisation, canal par canal, en deux étapes. Notre modèle est plus précis que les modèles existants, du diffus au spéculaire. / This thesis presents some advances in efficient representation of material appearance in a lighting simulation. The scope of this thesis is two-fold: an interactive shading algorithm to render measured reflectance with dynamic geometry using frequency analysis of light transport and hierarchical shading and up-sampling in deferred shading context, and a new normal distribution function for the Cook-Torrance micro-facet BRDF model, along with a new shadowing and masking function and a generalization of Schlick’s approximation of the Fresnel term. In the first part, we introduce a real-time frequency analysis of light transport framework that allows us to estimate the bandwidth and variance of the shading integrand. The bandwidth and variance are a function of frequencies in the illumination, distance traveled by light, BRDF and texture, and the geometry configuration (curvature). We use this information to under-sample the image, and also use an adaptive number of samples for shading. We devise a single-pass hierarchical shading and up-sampling scheme to assemble an image out of the sparsely shaded image pixels. We extend our interactive technique to use pre-convolved shading for real-time performance. We also take advantage of the bandwidth information to perform multi-sample anti-aliasing in deferred shading by subsampling only a small portion of image pixels whose bandwidth is smaller than 1 pixel^-1. In the second part, we propose a new distribution function for the Cook-Torrance micro-facet BRDF, based on our observations on the reflectance measurements. We isolate the distribution components of the reflectance data and directly observe that existing distribution functions are insufficient. Then we devise the Shifted Gamma Distribution (SGD) fitting more accurately to the data. We derive the shadowing and masking function from the distribution. We observe that not all materials have the Fresnel behavior expected by Schlick’s approximation. Hence, we generalize the Schlick’s approximation to more accurately fit the model to the measurements. We introduce a two-step fitting approach, that fits each RGB channel separately — accounting for wave-length dependent effects. We show that our shading model outperforms existing models and accurately represents a wider range of materials from diffuse to glossy and highly specular materials.