L'un des objectifs lors du développement d'un produit industriel est d'obtenir un prototype numérique valide et réaliste. Cette thèse a pour objectif d'améliorer la qualité des simulations dans le contexte d'un processus de production. Ces processus impliquent souvent un rendu de type "walkthrough", avec une géométrie fixe mais un déplacement continu de l'observateur. Nous nous intéresserons donc plus précisément aux méthodes de rendu physiquement réaliste de scènes complexes pour un scénario "walkthrough". Durant le rendu, l'utilisateur doit pouvoir mesurer précisément la radiance d'un point ou d'une zone donnée, ainsi que modifier en temps réel la puissance des sources lumineuses. Fondée sur la méthode du photon mapping, nos travaux montrent les modifications à apporter aux algorithmes afin d'améliorer à la fois la qualité des images et le temps de calcul du processus de rendu. / One of the goals when developing the product is to immediately obtain a real and valid prototype. This thesis provide new rendering methods to increase the quality of the simulations during the upstream work of the production pipeline. The latter usually requires a walkthrough rendering. Thus, we focuses on the physically-based rendering methods of complex scenes in walkthrough. During the rendering, the end-users must be able to measure the illuminate rates and to interactively modify the power of the light source to test different lighting ambiances. Based on the original photon mapping method, our work shows how some modifications can decrease the calculation time and improve the quality of the resulting images according to this specific context.

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Le rééclairage d'objets réels à partir d'images est un problème difficile à traiter car il implique l'estimation d'un nombre important de paramètres. Néanmoins le rééclairage de tels objets est indispensable pour une intégration de manière réaliste dans un environnement comportant des conditions d'illumination différentes de celles présentes lors de l'acquisition. Le travail proposé dans ce mémoire décrit une méthodologie de reconstruction automatique de toute la chaîne d'analyse : il couvre tous les aspects allant de la reconstruction géométrique à l'estimation de la réflectance de la surface en passant par la détection de sources lumineuses. Les seules données nécessaires à l'application de cette méthode sont de multiples points de vue de l'objet acquis sous des conditions d'illumination fixes et les paramètres de la caméra. Aucun objet additionnel n'est présent sur les images et la surface de l'objet basé-image peut être diffuse, spéculaire et/ou texturée. Nous avons mis en place un système d'acquisition robuste constitué d'un appareil photographique grand marché et d'un plateau tournant. Notre modèle géométrique reconstruit permet de passer d'un modèle discret à un modèle triangulé sans perte d'information topologique (propriétés de fermeture et nombre de composantes connexes conservés). De multiples sources ponctuelles et directionnelles sont détectées et la réflectance des objets est estimée sur chaque maille par un modèle de BRDF paramétrique. Nous utilisons les données reconstruites pour visualiser les objets avec de nouvelles conditions d'illumination. La version actuelle permet de générer de nouvelles images en quelques secondes avec une méthode de lancer de rayons.

Cette thèse, située dans le cadre de la synthèse d'images de paysages, est consacrée à des représentations d'arbres adaptées soit au rendu de haute-qualité, soit au rendu temps réel. Les techniques de modélisation d'arbres donnent à ce jour de bons résultats en termes de diversité d'espèces et de formes représentables. Cependant, leur représentation géométrique nécessite une multitude de polygones représentant des détails fins, source d'un coût de calcul important et de gros problèmes d'aliassage lors du rendu de l'image. Pourtant, la construction de niveaux de détails par simplification de maillage ne peut s'appliquer à un arbre sans en modifier l'opacité et l'illumination globale, à cause du caractère disparate et non continu du feuillage. En suivant l'idée de représenter un ensemble de primitives (feuilles ou branches) par paquet intégrant les aspects géométriques et photométriques, nous avons conçu deux nouvelles représentations. La première, destinée au rendu haute-qualité, est basée sur le calcul analytique du modèle d'illumination global d'une géométrie représentant un rameau d'aiguilles de conifère. En nous servant des connaissances a priori concernant la distribution géométrique des aiguilles, nous avons mis au point une hiérarchie de trois shaders capables de représenter à une échelle donnée les effets cumulés des niveaux plus fins, sans avoir à les échantillonner, et en tenant compte de l'auto-ombrage et de la visibilité. Le caractère analytique de ces shaders permet à la fois d'accélérer considérablement les temps de calcul et d'obtenir des images de qualité, en particulier avec très peu d'aliassage. La deuxième, destinée au rendu temps réel, se compose d'une hiérarchie d'images correspondant à l'échantillonnage des directions de vue et de lumière, que nous affichons à l'aide de billboards en interpolant les images. Nous y associons une structure de visibilité pré-calculée, basée sur des cubes de visibilité, pour traiter l'auto-ombrage et l'ombrage en temps interactif. Notre implémentation permet l'affichage interactif d'une forêt de 1000 arbres avec illumination, auto-ombrage, ombrage, et avec possibilité de déplacer interactivement la source de lumière

LA FAIBLE DEFINITION DES MEMOIRES DE TRAMES IMPOSEE PAR DES CONTRAINTES TECHNOLOGIQUES POSE DES PROBLEMES DE DISCRETISATION DE L'IMAGE LORS DE SON AFFICHAGE. IL EN RESULTE LES DIFFERENTS DEFAUTS D'ALIASSAGE DUS A UN ECHANTILLONNAGE INSUFFISANT DE L'IMAGE SOUS SA FORME ANALOGIQUE. CES DEFAUTS SONT PERCEPTIBLES ESSENTIELLEMENT SOUS FORMES DE MARCHES D'ESCALIER SUR LES CONTOURS DE L'IMAGE, D'APPARITION ET DE DISPARITION DES PETITS OBJETS SUIVANT LEUR POSITION DANS LA SCENE ET DE PRESENCE DE MOIRE DANS LES SCENES PORTANT DES TEXTURES. POUR ATTEINDRE UN PLUS GRAND DEGRE DE REALISME EN SYNTHESE D'IMAGES, IL EST INDISPENSABLE DE RESOUDRE CES PROBLEMES DE DISCRETISATION. LA SOLUTION GENERALE EST UN PREFILTRAGE PASSE-BAS DE L'IMAGE AVANT SON AFFICHAGE. NOUS ABORDONS CES PROBLEMES SOUS UN ANGLE THEORIQUE ET PRATIQUE DANS CETTE THESE. NOUS ETUDIONS LES METHODES D'ANTIALIASSAGE EN SYNTHESE D'IMAGES DANS LES CAS LES PLUS COURANTS. NOUS PROPOSONS DES NOUVELLES METHODES EN PARTICULIER DES ALGORITHMES ORIGINAUX POUR RESOUDRE CES PROBLEMES DANS LES CAS DU TAMPON DE PROFONDEUR ET DES TEXTURES

Je me suis intéressé pendant ma thèse à la globalité du système de synthèse d'images. En effet, j'ai travaillé sur les différentes étapes du processus de la génération d'une image de synthèse: de la modélisation jusqu'au rendu. Mon objectif principal était de favoriser l'évolutivité et la flexibilité du système. Pour pouvoir atteindre cet objectif, j'ai utilisé la programmation orientée objet pour concevoir et implanter un modeleur de type arbre de construction en langage c++. J'ai proposé une méthodologie de choix de classes et une hiérarchie originale de classes. Pour rendre le système plus flexible, j'ai permis le mixage d'algorithmes d'élimination des parties cachées dans une même scène tout en assurant l'interaction en termes de réflexion, transparence et ombres portées entre tous les objets de la scène. Enfin, j'ai proposé un certain nombre d'outils et méthodes pour la gestion des niveaux de détails dans une scène.

On retrouve dans la nature un nombre impressionnant de matériaux semi-transparents tels le marbre, le jade ou la peau, ainsi que plusieurs liquides comme le lait ou les jus. Que ce soit pour le domaine cinématographique ou le divertissement interactif, l'intérêt d'obtenir une image de synthèse de ce type de matériau demeure toujours très important. Bien que plusieurs méthodes arrivent à simuler la diffusion de la lumière de manière convaincante a l'intérieur de matériaux semi-transparents, peu d'entre elles y arrivent de manière interactive. Ce mémoire présente une nouvelle méthode de diffusion de la lumière à l'intérieur d'objets semi-transparents hétérogènes en temps réel. Le coeur de la méthode repose sur une discrétisation du modèle géométrique sous forme de voxels, ceux-ci étant utilisés comme simplification du domaine de diffusion. Notre technique repose sur la résolution de l'équation de diffusion à l'aide de méthodes itératives permettant d'obtenir une simulation rapide et efficace. Notre méthode se démarque principalement par son exécution complètement dynamique ne nécessitant aucun pré-calcul et permettant une déformation complète de la géométrie. / We find in nature several semi-transparent materials such as marble, jade or skin, as well as liquids such as milk or juices. Whether it be for digital movies or video games, having an efficient method to render these materials is an important goal. Although a large body of previous academic work exists in this area, few of these works provide an interactive solution. This thesis presents a new method for simulating light scattering inside heterogeneous semi-transparent materials in real time. The core of our technique relies on a geometric mesh voxelization to simplify the diffusion domain. The diffusion process solves the diffusion equation in order to achieve a fast and efficient simulation. Our method differs mainly from previous approaches by its completely dynamic execution requiring no pre-computations and hence allowing complete deformations of the geometric mesh.

Les environnements virtuels 3D sont aujourd'hui utilisés dans de nombreux domaines et couvrent de multiples usages qui vont du divertissement à l'apprentissage en passant par la conception pour l'industrie. Si leur nombre ne cesse de croître chaque année, un problème récurrent freine leur adoption et leur diffusion. Il est en effet aujourd'hui très difficile d'importer des données dans un environnement virtuel autre que celui pour lequel ces données ont été créées. Ceci entraîne de nombreux autres problèmes qui ralentissent la création d'environnements virtuels 3D, augmente leur coût de production et limite leur accès aux utilisateurs. Nous présentons ici une solution qui se propose de réconcilier les modèles existants et à venir de façon à rendre interopérables les contenus et les composants logiciels des environnements virtuels 3D. Cette solution repose sur deux éléments complémentaires: une architecture logicielle et un modèle de conteneur de formats 3D. Nous avons appelé notre système l'adaptateur de graphes de scène ou SGA. Il s'agit d'une architecture générique et modulaire qui permet le chargement de plusieurs formats 3D dans la plupart des composants logiciels des environnements virtuels 3D. Le SGA a non seulement pour rôle d'adapter tous les graphes de scène encodés dans les fichiers 3D en graphes de scène pour les composants qui sont utilisés par l'environnement virtuel mais également de gérer la synchronisation de ces graphes de scène au cours du déroulement de l'application de l'environnement virtuel. Nous avons réalisé une implémentation de cette architecture ainsi que plusieurs instanciations qui permettent le chargement de fichiers au format X3D et COLLADA dans une application dont le rendu se base sur le moteur de rendu graphique Ogre3D et le moteur physique Bullet. Ceci nous a permis de démontrer la faisabilité de cette solution et d'évaluer ses performances. Notre modèle de conteneur de formats 3D permet non seulement de composer des scènes faites à partir des plusieurs fichiers 3D mais aussi de combiner leurs fonctionnalités et de les faire interagir dans l'environnement virtuel. Ce modèle est appelé 3DFC pour conteneur de fichiers 3D et il repose sur le système du SGA pour l'adaptation des graphes de scène encapsulés dans les fichiers référencés par le conteneur. Nous avons réalisé une instanciation pour le modèle 3DFC que nous avons intégrée à notre implémentation du SGA. Nous avons ainsi pu mixer dans une même scène des modèles X3D et COLLADA et combiner les fonctionnalités d'interactions offertes par X3D avec les propriétés physiques autorisées dans COLLADA.

Le design d'éclairage est une tâche qui est normalement faite manuellement, où les artistes doivent manipuler les paramètres de plusieurs sources de lumière pour obtenir le résultat désiré. Cette tâche est difficile, car elle n'est pas intuitive. Il existe déjà plusieurs systèmes permettant de dessiner directement sur les objets afin de positionner ou modifier des sources de lumière. Malheureusement, ces systèmes ont plusieurs limitations telles qu'ils ne considèrent que l'illumination locale, la caméra est fixe, etc. Dans ces deux cas, ceci représente une limitation par rapport à l'exactitude ou la versatilité de ces systèmes. L'illumination globale est importante, car elle ajoute énormément au réalisme d'une scène en capturant toutes les interréflexions de la lumière sur les surfaces. Ceci implique que les sources de lumière peuvent avoir de l'influence sur des surfaces qui ne sont pas directement exposées. Dans ce mémoire, on se consacre à un sous-problème du design de l'éclairage: la sélection et la manipulation de l'intensité de sources de lumière. Nous présentons deux systèmes permettant de peindre sur des objets dans une scène 3D des intentions de lumière incidente afin de modifier l'illumination de la surface. De ces coups de pinceau, le système trouve automatiquement les sources de lumière qui devront être modifiées et change leur intensité pour effectuer les changements désirés. La nouveauté repose sur la gestion de l'illumination globale, des surfaces transparentes et des milieux participatifs et sur le fait que la caméra n'est pas fixe. On présente également différentes stratégies de sélection de modifications des sources de lumière. Le premier système utilise une carte d'environnement comme représentation intermédiaire de l'environnement autour des objets. Le deuxième système sauvegarde l'information de l'environnement pour chaque sommet de chaque objet. / Lighting design is usually a task that is done manually, where the artists must manipulate the parameters of several light sources to obtain the desired result. This task is difficult because it is not intuitive. Some systems already exist that enable a user to paint light directly on objects in a scene to position or alter light sources. Unfortunately, these systems have some limitations such that they only consider local lighting, or the camera must be fixed, etc. Either way, this limitates the accuracy or the versatility of these systems. Global illumination is important because it adds a lot of realism to a scene by capturing all the light interreflections on the surfaces. This means that light sources can influence surfaces even if they are not directly exposed. In this M. Sc. thesis, we study a subset of the lighting design problem: the selection and alteration of the intensity of light sources. We present two different systems to design lighting on objects in 3D scenes. The user paints light intentions directly on the objects to alter the surface illumination. From these paint strokes, the systems find the light sources and alter their intensity to obtain as much as possible what the user wants. The novelty of our technique is that global illumination, transparent surfaces and subsurface scattering are all considered, and also that the camera is free to take any position. We also present strategies for selecting and altering the light sources. The first system uses an environment map as an intermediate representation of the environment surrounding the objects. The second system saves all the information of the environment for each vertex of each object.

De nos jours, les images de synthèse sont omniprésentes dans notre quotidien. Le réalisme de ces images est grandissant, surprenant, et il n'est souvent pas aisé de distinguer la réalité de la virtualité, cette réalité faite et enrichie par toute la complexité des phénomènes naturels qui nous entourent. L'eau est un de ces phénomènes dont la variété et la richesse dynamique rend la représentation complexe. Nous nous intéressons dans cette thèse 'a sa forme la plus étendue, celle des océans, qui font partie intégrante de nos paysages. Dans un premier temps, nous étudions les méthodes permettant la simulation et le rendu de l'océan à la fois dans le domaine physique mais aussi dans le domaine de la synthèse d'images réalistes. Dans le second chapitre, nous proposons une nouvelle méthode de rendu unifiée permettant une visualisation plus rapide de l'océan au large et permettant d'approximer les échanges lumineux surfaciques et sous-surfaciques, l'écume et les phénomènes d' éblouissements. Dans le chapitre 3, nous nous intéressons au déferlement des vagues en proposant une nouvelle approche adaptative basée physique permettant de reproduire ce phénomène et de réduire les temps de calculs imposés par la résolution des équations de la mécanique des fluides en 3D. Dans le quatrième chapitre, nous étendons ce modèle en proposant une approche hiérarchique permettant une plus forte accélération du processus de résolution et d'obtenir une simulation proche de l'interactivité.