La visualisation de données tridimensionnelles est en train de devenir une étape obligée dans les processus de conception et de validation numérique. L'un des obstacles à sa diffusion est la complexité des phénomènes mis en jeu, qui s'oppose au besoin évident d'interactivité. Ce mémoire fait le point sur les recherches récentes, en particulier celles menées par l'auteur, en vue de prendre en compte cette complexité sous toutes ses formes. Il s'agit par exemple de la complexité géométrique (nombre d'objets, formes variées), dont on peut s'accommoder grâce à des techniques de calcul hiérarchique. La méthode de radiosité utilisant le regroupement d'objets permet ainsi de simuler l'éclairage de scènes complexes à différents niveaux de détail. La complexité peut aussi provenir des propriétés radiométriques des objets (sources de lumière, réflecteurs...), et des algorithmes de manipulation de données directionnelles sont proposés. Enfin, le contrôle de la qualité des simulations et du degré d'approximation acceptable fait l'objet d'une discussion.

Le contrôle de l'erreur est une nécessité dans un grand nombre d'applications de la simulation de l'éclairage. Il offre la possibilité d'assurer un degré de précision particulier dans la solution calculée, et permet également un compromis entre le temps de calcul et la qualité du résultat. Lors du calcul de l'éclairage par les méthodes hiérarchiques de radiosité, l'évaluation des relations de visibilité représente la majeure partie de l'effort de calcul, et constitue donc la cible désignée de diverses approximations, qui influent ensuite sur la qualité du résultat. Dans ce travail nous étudions tout d'abord l'impact des approximations de la visibilité lors du calcul des facteurs de forme sur la précision d'une simulation de l'éclairage. Associée à un algorithme de contrôle de l'erreur pour le calcul de chaque facteur de forme, cette approche permet de contrôler la précision de la simulation. Nous proposons ensuite un tel algorithme, basé sur le pré-calcul et le stockage d'informations multi-échelles de visibilité. Suivant les applications, la notion de qualité n'est cependant pas la même : alors qu'une borne mathématique sur l'erreur d'approximation d'une solution convient aux applications à caractère quantitatif, la simulation de l'éclairage en synthèse d'images nécessite une mesure de l'erreur adaptée au mode de perception humain. Une telle mesure doit notamment attacher une importance particulière aux artefacts visuels qui conditionnent la qualité des images produites. Dans ce cadre, nous proposons des algorithmes de synthèse des ombres, et décrivons une méthode basée sur l'opération de convolution entre des images d'une source et d'un obstacle, permettant le contrôle de l'erreur dans les ombres produites. Finalement, nous présentons un algorithme hiérarchique de simulation de l'éclairage contrôlant, par des méthodes spécifiques, la précision de l'équilibre global de l'énergie lumineuse et la qualité des détails d'ombre très fins.