La simulation d'éclairage peut être utilisée pour l'étude et l'analyse du confort visuel ou de la performance de dispositifs d'éclairage. Pour répondre à de tels objectifs, les méthodes utilisées doivent résoudre de manière précise et réaliste la problématique de l'illumination globale. De plus, les logiciels de simulation d'éclairage doivent souvent manipuler des scènes géométriquement complexes mais aussi exploiter les propriétés photométriques réalistes des sources artificielles étendues, des sources naturelles et des matériaux. L'objectif du travail de thèse est d'étendre les possibilités de ces outils à la prise en compte d'environnements enfumés dans lesquels la densité et la répartition des fumées évoluent avec le temps, tout en considérant le déplacement d'un observateur virtuel dans la scène. De telles possibilités ouvriraient le champ des possibilités de la simulation d'éclairage à des cas d'étude de la vision dans les fumées pour la sécurité incendie par exemple. Suite à une analyse globale du problème (interaction lumière/matériaux, lumière/fumée, évolution de la fumée dans le temps), le travail de recherche est décomposé en trois parties. Nous présentons dans un premier temps une nouvelle méthode de résolution de l'illumination globale pour les objets surfaciques basée sur la méthode de cache d'éclairement avec des enregistrements dont les zones d'influence s'adaptent à la géométrie et aux variations d'éclairage. Nous appelons ces enregistrements des \textit{enregistrements adaptatifs} Cette technique permet de contrôler plus finement la densité du cache. Par la suite, les travaux s'intéressent en détail à la problématique des milieux participatifs statiques et de leur interaction avec la lumière. Une méthode de résolution, s'appuyant sur les travaux de la première partie, est alors proposée. Les enregistrements adaptatifs sont créés dans l'espace en fonction des caractéristiques de la fumée (coefficients de diffusion et d'absorption) et de son influence sur l'éclairage global. Enfin, l'aspect dynamique est étudié et une extension temporelle de la méthode de simulation d'éclairage en présence de milieux participatifs est alors proposée. Nous introduisons le concept d'enregistrements adaptatifs spatio-temporels (pour les surfaces et les volumes) pour interpoler les variations d'éclairement à la fois dans l'espace et dans le temps.

Effectuer des calculs d'illumination globale pour des environnements complexes et les visualiser de manière interactive demeure un problème difficile en synthèse d'images. En effet, la radiosité hiérarchique est un processus très coûteux en termes de temps de calcul et de ressources mémoire, même pour des scènes de complexité moyenne. Par conséquent, dans le cas d'environnements complexes, une étape de précalcul est nécessaire. Ce précalcul consiste à découper la scène en plusieurs régions (appelées cellules) et évaluer les relations de visibilité entre ces régions. La méthode de découpage (ou de structuration) que nous proposons est inspirée de l'analyse d'images et consiste à mettre en correspondance des modèles génériques de cellules avec des éléments géométriques déduits de la scène. Comparée à la technique de subdivision binaire de l'espace, cette méthode fournit des résultats beaucoup plus convaincants car le nombre de cellules obtenues est plus faible et par conséquent les calculs de visibilité et de simulation d'éclairage se trouvent simplifiés. A chaque étape de la simulation d'éclairage, seule une petite partie de la scène réside en mémoire. Les informations géométriques et photométriques nécessaires à la représentation des objets de la scène sont stockées sur disque. La simulation de la propagation de la lumière est alors considérée comme la composition de tâches élémentaires consistant à (i) charger en mémoire les informations nécessaires à la simulation, (ii) effectuer les calculs de radiosité, (iii) remettre à jour la base de données sur le disque. Néanmoins, afin de réduire les nombreux échanges d'information entre le disque et la mémoire, il est nécessaire d'ordonner les calculs de manière efficace. Pour cela, nous proposons plusieurs stratégies d'ordonnancement des calculs reposant sur une prédiction des coûts de ces échanges d'informations à court, moyen ou long terme. Ces stratégies utilisent les connaissances relatives à la structuration de la scène en cellules et les relations de visibilité qui existent entre elles. Nous avons mis en oeuvre une version parallèle de cet algorithme à l'aide de l'environnement de programmation MPI (Message Passing Interface). Dans ce cas, toutes les données sont stockées sur un disque commun à tous les processeurs afin de réduire le nombre de messages et leur taille. Chaque processeur effectue les calculs pour un ensemble de régions selon les mêmes stratégies d'ordonnancement que l'algorithme séquentiel. Un mécanisme d'équilibrage de charge dynamique suivant une technique de vol de tâche (task stealing) permet d'éviter que certains processeurs restent inactifs au cours des calculs. Enfin, la terminaison de l'algorithme est réalisée à l'aide d'une reconfiguration dynamique des processeurs en anneau qui permet également la gestion de la convergence de l'algorithme.

La simulation des réflexions lumineuses multiples à l'intérieur d'un environnement nécessite de résoudre une intégrale de premier ordre, récursive infinie, pour laquelle il n'existe pas de solution analytique dans le cas général. Certaines méthodes permettent de donner une solution théorique exacte, mais avec des temps de calcul trop important pour espérer produire plusieurs images par seconde dans un avenir proche. De nombreuses méthodes permettent de réaliser ces calculs de manière plus rapide, mais elles reposent sur des approximations dont les effets sont souvent visibles sur les images produites. Notre objectif est de proposer des solutions permettant de réduire les erreurs de calculs en exploitant deux approches complémentaires : (i) une homogénéisation des termes de l'équation de manière à la résoudre seulement à l'aide de quelques opérateurs simples ; (ii) la prise en compte précise des informations de visibilité pour réduire le biais des méthodes reposant sur une estimation de densité. A terme, notre objectif est de diminuer le coût des requêtes de visibilité de nos deux contributions. Pour cela nous envisageons notamment d'introduire des calculs hiérarchiques de visibilité de façon à amortir le coût global des requêtes. / Simulating light transfer within a virtual environment requires to solve a first order, infinite recursive integral, that unfortunately doesn't have any solution in general cases. Though theoretically exact solutions exist, their computing time is not adapted to real-time rendering in a near future. Many methods have been proposed for accelerating these computations, but they rely on approximations that often produce visible artifacts on the resulting images. Our goal is to propose some new solutions that can reduce biases with two complementary approaches : (i) a new homogeneous representation of each term of the equation can be used to resolve it using only simple operators ; (ii) considering precise visibility information in order to reduce bias of methods that rely on density estimation. On the long range, we aim at reducing visibility requests costs of each contribution. For that purpose, we particularly plan to introduce hierarchical visibility computations so as to amortize queries cost.

La simulation d'éclairage est un processus qui s'avère plus complexe (temps de calcul, coût mémoire, mise en œuvre complexe) aussi bien pour les matériaux brillants que pour les matériaux lambertiens ou spéculaires. Afin d'éviter le calcul coûteux de certains termes de l'équation de luminance (convolution entre la fonction de réflexion des matériaux et la distribution de luminance de l'environnement), nous proposons une nouvelle structure de données appelée Source Surfacique Équivalente (SSE). L'utilisation de cette structure de données nécessite le pré-calcul puis la modélisation du comportement des matériaux soumis à divers types de sources lumineuses (positions, étendues). L'exploitation d'algorithmes génétiques nous permet de déterminer les paramètres des modèles de BRDF, en introduisant une première source d'approximation. L'approche de simulation d'éclairage utilisée est basée sur un cache de luminance. Ce dernier consiste à stocker l'éclairement incident sous forme de SSE en des points appelés enregistrements. Durant la simulation d'éclairage, l'environnement lumineux doit également être assimilé à un ensemble de sources surfaciques équivalentes (en chaque enregistrement) qu'il convient de définir de manière dynamique. Cette phase constitue une deuxième source d'erreur. Toutefois, l'incertitude globale ne se réduit pas au cumul des approximations réalisées à chaque étape. Les comparatives réalisées prouvent, au contraire, que l'approche des Sources Surfaciques Équivalentes est particulièrement intéressante pour des matériaux rugueux ou pour les matériaux très brillants placés dans des environnements relativement uniformes. L'utilisation de SSE a permis de réduire considérablement à la fois le coût mémoire et le temps de calcul. Une fois que les SSE sont calculés en chaque enregistrement et pour un certain nombre de points de vue, nous proposons une nouvelle méthode de visualisation interactive exploitant les performances des GPU (carte graphique) et s'avérant plus rapide que les méthodes existantes. Enfin nous traiterons le cas où les grandeurs photométriques sont spectrales, ce qui est très important lorsqu'il s'agit de réaliser des simulations d'éclairage précises. Nous montrerons comment adapter les zones d'influence des enregistrements en fonction des gradients de luminance et de la géométrie autour des enregistrements. / Radiance caching methods have proven efficient for global illumination. Their goal is to compute precisely illumination values (incident radiance or irradiance) at a reasonable number of points lying on the scene surfaces. These points, called records, are stored in a cache used for estimating illumination of other points in the scene. Unfortunately, with records lying on glossy surfaces, the irradiance value alone is not sufficient to evaluate the reflected radiance; each record should also store the incident radiance for all incident directions. Memory storage can be reduced with projection techniques using spherical harmonics or other basis functions. These techniques provide good results with low shininess BRDFs. However, they get impractical for shininess of even moderate value since the number of projection coefficients increase drastically. In this paper, we propose a new radiance caching method, that handles highly glossy surfaces, while requiring a low memory storage. Each cache record stores a coarse representation of the incident illumination thanks to a new data structure called Equivalent Area light Sources (EAS), capable of handling fuzzy mirror surfaces. In addition, our method proposes a new simplification of the interpolation process since it avoids the need for expressing and evaluating complex gradients. Moreover, we propose a new GPU based visualisation method which exploits these EAS data structure. Thus, interactive rendering is done faster than existing methods. Finally, physical ligting simulations need to manipulate spectral physical quantities. We demonstrate in our work how these quantities can be handle with our technic by adapting the record influence zone depending on the radiance gradients and the geometry around the records.

Le système Catopsys est un système projecteur-miroir-caméra à placer dans une pièce d'habitation quelconque. Il constitue un moyen abordable (coût, installation, utilisation) de réaliser toutes sortes d'applications de réalité mixte immersives. L'objectif de cette thèse est d'étudier et d'optimiser la chaîne de traitement radiométrique mise en oeuvre à travers ce système. Tout d'abord, les perturbations radiométriques de la caméra sont étudiées puis une méthode de correction, applicable au système Catopsys, est mise au point. Ceci permet, de façon relativement fidèle, d'acquérir l'environnement réel et d'estimer les perturbations issues du projecteur et de la pièce. L'influence du projecteur et de la pièce, utilisée comme écran de projection, sur l'image visible par l'utilisateur, est ensuite étudiée. Une méthode de compensation de la projection, permettant de rendre l'image visible plus proche de l'image voulue, est proposée. Après une étude de la géométrie du système Catopsys, des méthodes de simulation d'éclairage spécifiques, dérivées de la méthode de lancer de rayons, sont proposées. Enfin, les possibilités fournies par le système pour des applications de réalité mixte ainsi que leur intégration dans la chaîne de traitement sont étudiées. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse ont permis de participer à la mise au point du système Catopsys, d'étudier la faisabilité de différentes fonctionnalités et d'en réaliser certaines. Ils ont également donné lieu à la publication de plusieurs papiers (une conférence internationale, une revue nationale, une conférence nationale).