Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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.

L'étude du développement physiologique humain et de sa variabilité a toujours été au centre des préoccupations non seulement des anthropo-biologistes, mais également des médecins légistes, des dentistes, orthodontistes et des pédiatres. Les attentes de la société dans ce domaine de l'identification biométrique ont évolué. Désormais, la qualité des identifications ne se présume plus. Elle doit être définie, évaluée, prouvée et, au-delà, constamment améliorée. L'objectif de cette thèse était de concevoir et de réaliser un système optique pour la mesure et l'analyse des périkymaties de la couronne de la dent. L'intérêt principal est de proposer un système non invasif pour la mise en évidence des périkymaties, utiliser, tester et évaluer la qualité d'une méthode de comptage des périkymaties. Le but étant la détermination de la périodicité des périkymaties, pour un classement des Hominidés. En s'appuyant sur les théories optiques: la réflectance bidirectionnelle (BRDF) et la fonction bidirectionnelle de la texture (BTF), nous avons reçu et réalisé un système optique qui répond à tous ces critères. Au vu des résultats que nous avons obtenus sur des dents du registre des fossiles, largement étudiés dans la littérature, nous pouvons souligner la pertinence de notre approche. En effet, les résultats de nos mesures ont démontré pour la première fois la variabilité chez l'Homme actuel. Le système optique que nous avons développé permet aussi de mesurer la variabilité de la périodicité des périkymaties, rappelons que cette périodicité n'est que, très partiellement connue chez l'Homme actuel et pourrait chevaucher celle observée chez les Hominidés fossiles. Notre outil offre alors un outil objectif pour un classement des Hominidés.

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 fonctions de réflectance à 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 données 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.

La quête d'un photoréalisme accru en synthèse d'images passe par l'amélioration de la modélisation géométrique des scènes, des algorithmes de calcul de l'éclairement global, et des modèles locaux de réflexion. Ces modèles locaux de réflexion sont représentés par les BRDFs (fonctions de distribution de la réflectance bidirectionnelle). Nous étudions dans ce mémoire un certain nombre de modèles analytiques de BRDFs et les comparons à des mesures réelles de BRDFs. Cette étude nous montre que la diversité du réel ne saurait être prise en compte par un modèle unique de BRDF, et la nécessité d'utiliser directement des mesures de BRDFs en calcul d'images. Nous présentons alors les méthodes existantes pour représenter ces mesures, et introduisons une nouvelle méthode particulièrement adaptée au cas particulier des BRDFs. Cette méthode est basée sur des fonctions à support local et une approche hiérarchique. Afin de valider ces recompositions de BRDFs, nous introduisons aussi un critère d'erreur permettant de comparer les BRDFs entre elles. Afin de relier BRDFs mesurées et BRDFs informatiques, nous présentons un appareil informatique simulant le comportement d'un goniophotomètre existant, appareil servant à mesurer des BRDFs. Ce goniophotomètre virtuel nous permet de valider des modèles analytiques de BRDFs, et de comparer des BRDFs réelles et leur _équivalent simulé à partir de relevés sur les matériaux_

Les surfaces nanostructurées permettent d'obtenir des effets colorés gonio-apparents lorsque les nanostructures présentent des dimensions de l'ordre des longueurs d'onde du spectre visible. ces couleurs sont habituellement modélisées par le biais d'interactions de types "interférences" ou "cristaux photoniques" entre le rayonnement lumineux et une structure modèle. dans cette thèse, l'anodisation d'aluminium est utilisée comme méthode de structuration à l'échelle submicronique. cette technique présente l'avantage d'être mature industriellement et de permettre de structurer de grandes surfaces. des effets colorés sont observés même si les structures obtenues ne sont pas parfaitement ordonnées. le but de cette thèse est de comprendre les phénomènes optiques mis en jeu dans l'obtention de ces effets. ce manuscrit se divise donc en deux parties principales, toutes deux basées sur une étude de la littérature existante. afin d'établir un parallèle entre caractérisation expérimentale et simulation numérique, la première partie présente l'outil de caractérisation optique développé. la seconde est dédiée à l'étude des effets colorés de certaines surfaces d'aluminium anodisé. cette partie propose une compréhension des phénomènes d'interaction de la lumière avec la structure d'aluminium anodisé se basant sur les caractérisations optiques et microstructurales des échantillons, associées à une modélisation de l'interaction entre rayonnement et matière structurée. cette étude montre que les structures réelles présentent un ordre à courte distance. les effets colorés sont simulés par la méthode modale de fourier par le biais de structures modèles avec un certain niveau de désordre.

The bidirectional reflectance distribution function (BRDF) that describes the scattered energy distribution is the most fundamental radiative property to calculate other properties. Although recent progress in surface metrology allows topography measurement in an atomic level, most studies still assume statistical distributions of roughness because of difficulty in roughness modeling. If the BRDF of rough silicon wafers is modeled with assumptions, predicted radiative properties may be inaccurate because non-Gaussian and anisotropic roughness of some wafers cannot be approximated with known statistics. Therefore, this thesis focuses on development of BRDF modeling that accounts for anisotropic roughness to accurately predict radiative properties of rough silicon surfaces with thin-film coatings. Monte Carlo ray-tracing methods are developed to consider multiple scattering and the change of polarization states and to satisfy physical laws such as the reciprocity principle. Silicon surface topographic data measured with an atomic force microscope are incorporated into the ray-tracing algorithms to model anisotropic roughness statistics. For validation, BRDF and emittance predictions are compared with measurements using an optical scatterometer and an integrating sphere. Good agreement between prediction and measurement demonstrates that the incorporation of topography measurement into BRDF modeling is essential for accurate property prediction. Roughness effects on the BRDF are so strong that BRDFs also reveal anisotropic features regardless of the presence of coating. Anisotropic roughness increases multiple scattering although first-order scattering is dominant, and thus enhances emittance noticeably. Silicon dioxide coating changes the magnitude of BRDF and emittance and reduces the anisotropic roughness effect on emittance enhancement. The research in this thesis advances the method to predict radiative properties by incorporating anisotropic rough statistics into BRDF modeling.

Polytetrafluoroethylene (PTFE) is a highly scattering material and has been used as diffuse reflectors. In the present study, the ranges of the scattering coefficient, absorption coefficient, and the asymmetric parameter of the Henyey-Greenstein scattering phase function are assessed for semitransparent PTFE films whose thicknesses range from 0.11 mm to 10 mm. The bidirectional reflectance distribution function (BRDF) and bidirectional transmittance distribution function (BTDF) of these PTFE films were measured using a laser scatterometer at a wavelength of 635 nm, and the directional-hemispherical reflectance and transmittance were obtained by integrating BRDF and BTDF at normal incidence. The scattering coefficient of PTFE is estimated to exceed 1200 (1/cm). On the other hand, the absorption coefficient should be less than 0.01 (1/cm). A Monte Carlo simulation was employed to predict the BRDF and BTDF of PTFE films, and the calculations were compared with measurements at various incidence angles.

Cirurgias minimamente invasivas correspondem a uma importante especialidade da Medicina, cuja aplicação em larga escala depende do treinamento de novos cirurgiões em habilidades específicas que podem ser aprimoradas através do uso de simuladores virtuais de cirurgia. Entretanto, tais aplicações demandam alta qualidade visual das simulações de órgãos internos, que idealmente podem ser realizadas com base em aproximações de mais alta ordem da interação luz-matéria. Trabalhos recentes têm proposto abordagens híbridas onde dados da BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function - Função de Distribuição de Reflectância Bidirecional) de órgãos vivos têm sido amostrados ou estimados, para orientar técnicas de rendering em tempo real. O presente trabalho propõe um pipeline para o rendering de estruturas orgânicas baseado em Física visando a simulação de cirurgia compatível com alto nível de aproximação da interação luz-matéria. Através de um novo método de amostragem da BRDF de órgãos vivos por meio de laparoscopias convencionais, e do estudo de formas de representação para os dados amostrados, imagens de órgãos humanos são geradas em sistemas de rendering de tempo real e sistemas baseados em algoritmos de iluminação global. A metodologia proposta foi aplicada em um experimento realizado através de uma Colecistectomia, cujos importantes resultados caracterizam-se pela cobertura de aproximadamente 22% da BRDF de um fígado humano vivo, configurando assim uma contribuição singular para técnicas de amostram de BRDF de órgãos e rendering de órgãos baseado em Física. / Minimally invasive surgeries are an important specialty of Medicine. Virtual simulators allow the development of the needed skills for new surgeons. Such simulators demand high visual quality of the internal organs that ideally can be performed based on higher-order approximations of the light-material interaction. Recent work proposes hybrid approaches where the BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function) data for living organs was sampling or estimated to guide real-time rendering techniques. This work proposes a pipeline for physically-based rendering of organic structures with the goal of surgery simulations with a high level of approximation for the light-material interaction. We present a new sampling method for measuring BRDFs for living organs based on conventional laparoscopy. With this data we are able to render human organs in real-time and also improve global illumination results. The methodology was applied in an experiment performed through a Cholecystectomy. Our results achieved a high BRDF coverage of 22% for a living human liver, establishing a singular contribution for the sampling of BRDF in-vivo organs and physically-based rendering.

Cirurgias minimamente invasivas correspondem a uma importante especialidade da Medicina, cuja aplicação em larga escala depende do treinamento de novos cirurgiões em habilidades específicas que podem ser aprimoradas através do uso de simuladores virtuais de cirurgia. Entretanto, tais aplicações demandam alta qualidade visual das simulações de órgãos internos, que idealmente podem ser realizadas com base em aproximações de mais alta ordem da interação luz-matéria. Trabalhos recentes têm proposto abordagens híbridas onde dados da BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function - Função de Distribuição de Reflectância Bidirecional) de órgãos vivos têm sido amostrados ou estimados, para orientar técnicas de rendering em tempo real. O presente trabalho propõe um pipeline para o rendering de estruturas orgânicas baseado em Física visando a simulação de cirurgia compatível com alto nível de aproximação da interação luz-matéria. Através de um novo método de amostragem da BRDF de órgãos vivos por meio de laparoscopias convencionais, e do estudo de formas de representação para os dados amostrados, imagens de órgãos humanos são geradas em sistemas de rendering de tempo real e sistemas baseados em algoritmos de iluminação global. A metodologia proposta foi aplicada em um experimento realizado através de uma Colecistectomia, cujos importantes resultados caracterizam-se pela cobertura de aproximadamente 22% da BRDF de um fígado humano vivo, configurando assim uma contribuição singular para técnicas de amostram de BRDF de órgãos e rendering de órgãos baseado em Física. / Minimally invasive surgeries are an important specialty of Medicine. Virtual simulators allow the development of the needed skills for new surgeons. Such simulators demand high visual quality of the internal organs that ideally can be performed based on higher-order approximations of the light-material interaction. Recent work proposes hybrid approaches where the BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function) data for living organs was sampling or estimated to guide real-time rendering techniques. This work proposes a pipeline for physically-based rendering of organic structures with the goal of surgery simulations with a high level of approximation for the light-material interaction. We present a new sampling method for measuring BRDFs for living organs based on conventional laparoscopy. With this data we are able to render human organs in real-time and also improve global illumination results. The methodology was applied in an experiment performed through a Cholecystectomy. Our results achieved a high BRDF coverage of 22% for a living human liver, establishing a singular contribution for the sampling of BRDF in-vivo organs and physically-based rendering.