Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

La synthèse d'images dites photoréalistes nécessite d'évaluer numériquement la manière dont la lumière et la matière interagissent physiquement, ce qui, malgré la puissance de calcul impressionnante dont nous bénéficions aujourd'hui et qui ne cesse d'augmenter, est encore bien loin de devenir une tâche triviale pour nos ordinateurs. Ceci est dû en majeure partie à la manière dont nous représentons les objets: afin de reproduire les interactions subtiles qui mènent à la perception du détail, il est nécessaire de modéliser des quantités phénoménales de géométries. Au moment du rendu, cette complexité conduit inexorablement à de lourdes requêtes d'entrées-sorties, qui, couplées à des évaluations d'opérateurs de filtrage complexes, rendent les temps de calcul nécessaires à produire des images sans défaut totalement déraisonnables. Afin de pallier ces limitations sous les contraintes actuelles, il est nécessaire de dériver une représentation multiéchelle de la matière. Dans cette thèse, nous construisons une telle représentation pour la matière dont l'interface correspond à une surface perturbée, une configuration qui se construit généralement via des cartes d'élévations en infographie. Nous dérivons notre représentation dans le contexte de la théorie des microfacettes (conçue à l'origine pour modéliser la réflectance de surfaces rugueuses), que nous présentons d'abord, puis augmentons en deux temps. Dans un premier temps, nous rendons la théorie applicable à travers plusieurs échelles d'observation en la généralisant aux statistiques de microfacettes décentrées. Dans l'autre, nous dérivons une procédure d'inversion capable de reconstruire les statistiques de microfacettes à partir de réponses de réflexion d'un matériau arbitraire dans les configurations de rétroréflexion. Nous montrons comment cette théorie augmentée peut être exploitée afin de dériver un opérateur général et efficace de rééchantillonnage approximatif de cartes d'élévations qui (a) préserve l'anisotropie du transport de la lumière pour n'importe quelle résolution, (b) peut être appliqué en amont du rendu et stocké dans des MIP maps afin de diminuer drastiquement le nombre de requêtes d'entrées-sorties, et (c) simplifie de manière considérable les opérations de filtrage par pixel, le tout conduisant à des temps de rendu plus courts. Afin de valider et démontrer l'efficacité de notre opérateur, nous synthétisons des images photoréalistes anticrenelées et les comparons à des images de référence. De plus, nous fournissons une implantation C++ complète tout au long de la dissertation afin de faciliter la reproduction des résultats obtenus. Nous concluons avec une discussion portant sur les limitations de notre approche, ainsi que sur les verrous restant à lever afin de dériver une représentation multiéchelle de la matière encore plus générale / Photorealistic rendering involves the numeric resolution of physically accurate light/matter interactions which, despite the tremendous and continuously increasing computational power that we now have at our disposal, is nowhere from becoming a quick and simple task for our computers. This is mainly due to the way that we represent objects: in order to reproduce the subtle interactions that create detail, tremendous amounts of geometry need to be queried. Hence, at render time, this complexity leads to heavy input/output operations which, combined with numerically complex filtering operators, require unreasonable amounts of computation times to guarantee artifact-free images. In order to alleviate such issues with today's constraints, a multiscale representation for matter must be derived. In this thesis, we derive such a representation for matter whose interface can be modelled as a displaced surface, a configuration that is typically simulated with displacement texture mapping in computer graphics. Our representation is derived within the realm of microfacet theory (a framework originally designed to model reflection of rough surfaces), which we review and augment in two respects. First, we render the theory applicable across multiple scales by extending it to support noncentral microfacet statistics. Second, we derive an inversion procedure that retrieves microfacet statistics from backscattering reflection evaluations. We show how this augmented framework may be applied to derive a general and efficient (although approximate) down-sampling operator for displacement texture maps that (a) preserves the anisotropy exhibited by light transport for any resolution, (b) can be applied prior to rendering and stored into MIP texture maps to drastically reduce the number of input/output operations, and (c) considerably simplifies per-pixel filtering operations, resulting overall in shorter rendering times. In order to validate and demonstrate the effectiveness of our operator, we render antialiased photorealistic images against ground truth. In addition, we provide C++ implementations all along the dissertation to facilitate the reproduction of the presented results. We conclude with a discussion on limitations of our approach, and avenues for a more general multiscale representation for matter

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Le photoréalisme est l'un des thèmes de la recherche en synthèse d'images. Il s'agit de produire des images visuellement indiscernables de photographies, pour des scènes virtuelles simulant des scènes réelles. Cette approche se scinde en deux domaines indépendants : la modélisation géométrique décrit la forme et la position des objets, alors que la modélisation énergétique explicite les propriétés de la lumière émise par les sources, et ses interactions avec les matériaux des objets. Nous nous situons dans ce deuxième cadre. Nous présentons une méthode de calcul de l'éclairement global dans un environnement de lancer de rayons. La prise en compte des interréflexions multiples est une opération très couteuse, car elle nécessite un échantillonnage très fin, et génère un très grand nombre de rayons. Notre modélisation vectorielle représente de façon concise l'énergie incidente en une surface, en tenant compte des propriétés du matériau. Elle exploite les cohérences de la scène et de la lumière en réutilisant les valeurs connues lorsque les variations sont modérées, permettant une importante réduction des temps de calcul. Les opérations complexes sont alors remplacées par de simples interpolations vectorielles. La lumière est séparée en composantes indépendantes : directe, indirecte et caustique. Des méthodes optimisées sont adaptées à ces cas particuliers, pour détecter les zones ou l'interpolation est possible. D'autre part, nous proposons une méthode de prise en compte des sources étendues en lancer de rayons, pour obtenir des pénombres douces. Dans le cas des sources planes rectangulaires, une subdivision adaptative découpe la surface en zones d'angles solides proches, vues depuis le point courant. Pour une même précision, le nombre de zones est plus faible que celui obtenu par un découpage régulier classique de la surface. Ce procédé est ensuite étendu à des sources de forme quelconque, puis adapte à la simulation de l'éclairement naturel du ciel.

La synthèse d'images dites photoréalistes nécessite d'évaluer numériquement la manière dont la lumière et la matière interagissent physiquement, ce qui, malgré la puissance de calcul impressionnante dont nous bénéficions aujourd'hui et qui ne cesse d'augmenter, est encore bien loin de devenir une tâche triviale pour nos ordinateurs. Ceci est dû en majeure partie à la manière dont nous représentons les objets: afin de reproduire les interactions subtiles qui mènent à la perception du détail, il est nécessaire de modéliser des quantités phénoménales de géométries. Au moment du rendu, cette complexité conduit inexorablement à de lourdes requêtes d'entrées-sorties, qui, couplées à des évaluations d'opérateurs de filtrage complexes, rendent les temps de calcul nécessaires à produire des images sans défaut totalement déraisonnables. Afin de pallier ces limitations sous les contraintes actuelles, il est nécessaire de dériver une représentation multiéchelle de la matière. Dans cette thèse, nous construisons une telle représentation pour la matière dont l'interface correspond à une surface perturbée, une configuration qui se construit généralement via des cartes d'élévations en infographie. Nous dérivons notre représentation dans le contexte de la théorie des microfacettes (conçue à l'origine pour modéliser la réflectance de surfaces rugueuses), que nous présentons d'abord, puis augmentons en deux temps. Dans un premier temps, nous rendons la théorie applicable à travers plusieurs échelles d'observation en la généralisant aux statistiques de microfacettes décentrées. Dans l'autre, nous dérivons une procédure d'inversion capable de reconstruire les statistiques de microfacettes à partir de réponses de réflexion d'un matériau arbitraire dans les configurations de rétroréflexion. Nous montrons comment cette théorie augmentée peut être exploitée afin de dériver un opérateur général et efficace de rééchantillonnage approximatif de cartes d'élévations qui (a) préserve l'anisotropie du transport de la lumière pour n'importe quelle résolution, (b) peut être appliqué en amont du rendu et stocké dans des MIP maps afin de diminuer drastiquement le nombre de requêtes d'entrées-sorties, et (c) simplifie de manière considérable les opérations de filtrage par pixel, le tout conduisant à des temps de rendu plus courts. Afin de valider et démontrer l'efficacité de notre opérateur, nous synthétisons des images photoréalistes anticrenelées et les comparons à des images de référence. De plus, nous fournissons une implantation C++ complète tout au long de la dissertation afin de faciliter la reproduction des résultats obtenus. Nous concluons avec une discussion portant sur les limitations de notre approche, ainsi que sur les verrous restant à lever afin de dériver une représentation multiéchelle de la matière encore plus générale. / Photorealistic rendering involves the numeric resolution of physically accurate light/matter interactions which, despite the tremendous and continuously increasing computational power that we now have at our disposal, is nowhere from becoming a quick and simple task for our computers. This is mainly due to the way that we represent objects: in order to reproduce the subtle interactions that create detail, tremendous amounts of geometry need to be queried. Hence, at render time, this complexity leads to heavy input/output operations which, combined with numerically complex filtering operators, require unreasonable amounts of computation times to guarantee artifact-free images. In order to alleviate such issues with today's constraints, a multiscale representation for matter must be derived. In this thesis, we derive such a representation for matter whose interface can be modelled as a displaced surface, a configuration that is typically simulated with displacement texture mapping in computer graphics. Our representation is derived within the realm of microfacet theory (a framework originally designed to model reflection of rough surfaces), which we review and augment in two respects. First, we render the theory applicable across multiple scales by extending it to support noncentral microfacet statistics. Second, we derive an inversion procedure that retrieves microfacet statistics from backscattering reflection evaluations. We show how this augmented framework may be applied to derive a general and efficient (although approximate) down-sampling operator for displacement texture maps that (a) preserves the anisotropy exhibited by light transport for any resolution, (b) can be applied prior to rendering and stored into MIP texture maps to drastically reduce the number of input/output operations, and (c) considerably simplifies per-pixel filtering operations, resulting overall in shorter rendering times. In order to validate and demonstrate the effectiveness of our operator, we render antialiased photorealistic images against ground truth. In addition, we provide C++ implementations all along the dissertation to facilitate the reproduction of the presented results. We conclude with a discussion on limitations of our approach, and avenues for a more general multiscale representation for matter.

Gérard Gasiorowski, artiste français dont l'opus polymorphe, mais essentiellement pictural, s'est déroulé sur deux décennies seulement, a oscillé d'un photoréalisme austère et raffiné à un expressionnisme tourmenté et parfois lyrique. Mais si cette œuvre use indéniablement des moyens de la peinture, elle se veut avant tout, par son dispositif global, une réflexion critique sur la production esthétique de son temps et les différentes instances de l'art. Après une ascension fulgurante de peintre distingué, ayant épuisé les vertus de l'image, cet enfant terrible brise ses jouets pour se retrancher en un long cycle de travaux dit régressifs, avant de revenir à une interprétation grave et majestueuse de son histoire intime de l'art. Si ces trois temps de l'œuvre peuvent être lus comme des phases, ils peuvent être également considérés comme les chapitres d'un récit où l'auteur serait aussi le ou les personnages. Car, et de façon délibérée, c'est sur le registre de la fiction que l'ouvrage pictural s'est élaboré. Dérision et autodérision auront conduit Gasiorowski, pour échapper aux classifications d'usage, aux académismes, à inventer l'artiste qui saurait au mieux servir la peinture sans se servir. Car «Peinture» était pour lui corps et langage, soit une entité complexe et non un simple produit. S'appuyant sur une documentation augmentée et en partie inédite (exhumations des archives et de certaines œuvres) ainsi que sur une enquête portant sur les sources iconographiques utilisées par l'auteur, ce travail a, entre autres, permis d'établir que cette stratégie était présente, à l'œuvre, dès le début. / Gérard Gasiorowski was a French artist whose polymorphic, though essentially pictorial work, was developed over two decades only, and oscillated from an austere and sophisticated photorealism to a tormented and occasionally lyrical expressionism. But if his work undeniably uses the painting medium, it claims to be, before everything and as a whole, a critical thought of the aesthetic production of his time and the different art authorities. After a dazzling ascension as a eminent painter, this terrible child, having exhausted all the properties of the image, breaks his toys to take refuge in a long cycle of so-called regressive works, before returning to a serious and majestic interpretation of his persona! history of art. If these three moments can be seen as phases of his work, they can be considered as chapters of a novel as well, in which the author would also be the character(s), for his pictorial work has been based on fiction, in a deliberate way. Mockery and self-mockery finally led Gasiorowski to invent the artist who would know how to serve painting without serving himself, in order to escape usual classifications and academicism. Because « Painting » was a body, a language, i complex entity to him, and not just a product. Based on an extended and partly new documentation (exhumation of archives and some previously unseen works) and a survey on the iconographic sources used by the artist, this dissertation has, among other things, enabled to establish that this strategy was present in Gasiorowski's work since the beginning.