Dans ce document, nous explorons les différentes étapes habituellement requises pour la synthèse d'image. Le principal but de cette exploration est de prendre en compte autant que possible l'utilisateur. La création d'images 3D nécessite en premier lieu la définition d'une collection de modèles 3D et de leur position relative. Pour cet objectif, nous explorons les techniques de modélisation 3D par esquisses pour des maillages 3D, en étendant l'utilisation de courbe de la définition de la silhouette à celle du profil de la forme, et en exposant toutes les différentes étapes du processus de reconstruction ainsi que la représentation interne. Nous explorons aussi l'utilisation de tels outils lorsque l'utilisateur se trouve face à de grands écrans. Une fois la géométrie d'un objet définie, un utilisateur doit définir son apparence résultant de l'interaction de la lumière avec ses propriétés de réflexion et sa géométrie. Nous introduisons un nouveau modèle de BRBF et ses outils de modélisation pour étendre les effets lumineux possibles. Puisque la forme de l'objet influence la perception de son éclairement, nous introduisons aussi un descripteur de forme pour extraire des informations continues de convexité et de courbure. Cette analyse en temps-réel est utilisée pour re-introduire ces information dans différents styles de rendu. Finallement, nous introduisons une nouvelle représentation pour l'éclairement qui offre un grand potentiel en terme d'édition pour l'éclairage global. Cette représentation est basée sur une grille régulière de vecteurs d'irradiance qui encode l'éclairement incident. La combinaison d'une approche volumique et vectorielle rend cette méthode bien adaptée pour tous les algorithmes qui doivent faire face à la complexité géométrique des scènes 3D.

Effective management of forest resources requires reliable and timely information on their status. In this regard, remote sensing techniques have played an important role, as they allow collection of data on extensive, remote and inaccessible areas. Historically, aerial photographs were the primary remote sensing data source in forest inventory and mapping, and they are still extensively for visual photo-interpretation. In this thesis, we show that their use can be improved thanks to automatic processing and an application using digitised orthophotos is provided. Satellite-based remote sensing has been regarded as an alternative, low-cost and rapid, data source to aerial photography and ground survey. Indeed, it has proved to be effective at the continental and global scales, but applications for local forest management purposes are still rare. The main reason for this is that the spatial resolution of satellite remote sensing data that was available until recently (mainly from Landsat TM/ETM and SPOT HRV) was too coarse for stand level information. Satellite images with enhanced spatial resolution (such as IKONOS) should overcome this limitation. This thesis investigates their actual capabilities for forest stand mapping and characterisation. We show that they are well suited for forest stand type classification and for retrieval of several dendrometric variables in coniferous stands with an accuracy similar to that of field sampling. For the sake of solutions to provide more precise and detailed information on forest stand, we assessed also the contribution of hyperspectral and multiple-view angle data acquired by CHRIS/PROBA. Although the winter season scene did not fully permit utilisation of the hyperspectral dimension of this dataset, the study provides insights into directional effects. This work makes, hopefully, a step towards automated processing and effective integration of satellite-based remote sensing data into the forest management information system and, by upscaling, into the national forest inventories.

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Bidirectional reflectance is a fundamental radiative property of rough surfaces. Knowledge of the bidirectional reflectance is crucial to the emissivity modeling and heat transfer analysis. This thesis concentrates on the modeling and measurements of the bidirectional reflectance for microrough silicon surfaces and on the validity of a hybrid method in the modeling of the bidirectional reflectance for thin-film coated rough surfaces. The surface topography and the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) of the rough side of several silicon wafers have been extensively characterized using an atomic force microscope and a laser scatterometer, respectively. The slope distribution calculated from the surface topographic data deviates from the Gaussian distribution. Both nearly isotropic and strongly anisotropic features are observed in the two-dimensional (2-D) slope distributions and in the measured BRDF for more than one sample. The 2-D slope distribution is used in a geometric-optics based model to predict the BRDF, which agrees reasonably well with the measured values. The side peaks in the slope distribution and the subsidiary peaks in the BRDF for two anisotropic samples are attributed to the formation of {311} planes during chemical etching. The correlation between the 2-D slope distribution and the BRDF has been developed. A boundary integral method is applied to simulate the bidirectional reflectance of thin-film coatings on rough substrates. The roughness of the substrate is one dimensional for simplification. The result is compared to that from a hybrid method which uses the geometric optics approximation to model the roughness effect and the thin-film optics to consider the interference due to the coating. The effects of the film thickness and the substrate roughness on the validity of the hybrid method have been investigated. The validity regime of the hybrid method is established for silicon dioxide films on silicon substrates in the visible wavelength range. The proposed method to characterize the microfacet orientation and to predict the BRDF may be applied to other anisotropic or non-Gaussian rough surfaces. The measured BRDF may be used to model the apparent emissivity of silicon wafers to improve the temperature measurement accuracy in semiconductor manufacturing processes. The developed validity regime for the hybrid method can be beneficial to future research related to the modeling for thin-film coated rough surfaces.

Procedural textures and image textures are commonplace in graphics today, finding uses in such places as animated movies and video games. Unlike image texture maps, procedural textures typically suffer from minification aliasing. I present a method that, given a procedural texture on a surface, automatically creates an anti-aliased version of the procedural texture. The new procedural texture maintains the original textures details, but reduces minification aliasing artifacts. This new algorithm creates an image pyramid similar to MIP-Maps to represent the texture. Whereas a MIP-Map stores per-texel color, however, my texture hierarchy stores weighted sums of reflectance functions, allowing a wider-range of effects to be anti-aliased. The stored reflectance functions are automatically selected based on an analysis of the different functions found over the surface. When the texture is viewed at close range, the original texture is used, but as the texture footprint grows, the algorithm gradually replaces the textures result with an anti-aliased one. This results in faster development time for writing procedural textures as well as higher visual fidelity and faster rendering. With the optional addition of authoring guidelines, the analysis phase can be sped up by as much as two orders of magnitude. Furthermore, I developed a method for handling pre-filtered integration of reflectance functions to anti-alias specular highlights. The normal-centric BRDF (NBRDF) allows for fast evaluation over a range of normals appearing on the surface of an object. The NBRDF is easy to implement on the GPU for real-time results and can be combined with procedural reduction maps for real-time procedural texture minification anti-aliasing.

Arrays of nanotubes/rods made of appropriate materials can yield unique radiative properties, such as large absorption and optical anisotropy, with broad applications from high-efficiency emitters and absorbers for energy conversion to the polarization conversion via anisotropic responses. The objective of this dissertation is to investigate the radiative properties of arrays formed by aligned carbon nanotubes (CNTs) and silver nanorods (AgNRs). The CNT arrays used in the present study consist of multi-walled CNTs synthesized vertically on silicon substrates using thermal chemical vapor deposition. Their close-to-unity absorptance is demonstrated by measuring the directional-hemispherical reflectance in the visible and near-infrared spectral ranges using an integrating sphere. The bidirectional reflectance distribution function and angle-resolved reflectance were measured at the 635-nm wavelength. The results demonstrate that high-absorptance CNT arrays may be diffusely or specularly reflecting and have important applications in radiometry. Theoretical modeling based on the effective medium theory (EMT) and reflectivity of an anisotropic medium are developed to explain the high absorption and polarization dependence. The effective optical constants of the CNT array for both ordinary and extraordinary polarizations are quantitatively determined by fitting the angle-resolved reflectance. The AgNR arrays used in the present study were fabricated using oblique angle deposition, which results in inclined Ag nanorods that can be modeled as an effective homogenous and optically anisotropic thin film. The spectral and directional radiative properties of AgNRs grown on different substrates, including a glass slab with a silver film, and compact disc gratings, were characterized at the 635-nm and 977-nm wavelengths for different polarizations. The results are analyzed based on the EMT, rigorous coupled-wave analysis, and anisotropic thin-film optics. The results of this dissertation help gain a better understanding of radiative properties of anisotropic nanostructures for potential applications in high-efficiency energy conversion, radiometric devices, and optical systems.

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An accurate and generalized global retrieval algorithm from satellite observations is a prerequisite to understand the radiative effect of atmospheric aerosols on the climate system. Current operational aerosol retrieval algorithms are limited by the inversion schemes and suffering from the non-uniqueness problem. In order to solve these issues, a new algorithm is developed for the retrieval of non-spherical dust aerosol over land using multi-angular radiance and polarized measurements of the POLDER (POLarization and Directionality of the Earth’s Reflectances) and wide spectral high-resolution measurements of the MODIS (MODerate resolution Imaging Spectro-radiometer). As the first step to account for the non-sphericity of irregularly shaped dust aerosols in the light scattering problem, the spheroidal model is introduced. To solve the basic electromagnetic wave scattering problem by a single spheroid, we developed an algorithm, by transforming the transcendental infinite-continued-fraction-formeigen equation into a symmetric tri-diagonal linear system, for the calculation of the spheroidal angle function, radial functions of the first and second kind, as well as the corresponding first order derivatives. A database is developed subsequently to calculate the bulk scattering properties of dust aerosols for each channel of the satellite instruments. For the purpose of simulation of satellite observations, a code is developed to solve the VRTE (Vector Radiative Transfer Equation) for the coupled atmosphere-surface system using the adding-doubling technique. An alternative fast algorithm, where all the solid angle integrals are converted to summations on an icosahedral grid, is also proposed to speed-up the code. To make the model applicable to various land and ocean surfaces, a surface BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function) library is embedded into the code. Considering the complimentary features of the MODIS and the POLDER, the collocated measurements of these two satellites are used in the retrieval process. To reduce the time spent on the simulation of dust aerosol scattering properties, a single-scattering property database of tri-axial ellipsoid is incorporated. In addition, atmospheric molecule correction is considered using the LBLRTM (Line-By-Line Ra- diative Transfer Model). The Levenberg-Marquardt method was employed to retrieve all the interested dust aerosol parameters and surface parameters simultaneously. As an example, dust aerosol properties retrieved over the Sahara Desert are presented.

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 fonction de réflectance a 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 donnée 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.

L'albédo, fraction de rayonnement réfléchi dans le spectre solaire, est une variable clef du bilan énergétique des surfaces enneigées et englacées. Cette grandeur possède une forte variabilité spatio-temporelle ce qui fait de la télédétection un outil adapté pour son étude. L'albédo dépend à la fois des propriétés physiques du milieu considéré et des caractéristiques du rayonnement incident. Les différentes grandeurs liées à l'albédo sont fonction des domaines angulaires et spectraux des radiations considérées. Les mesures de répartition angulaire du rayonnement réfléchi par la neige ont montré que l'hypothèse lambertienne pouvait conduire à des erreurs non négligeables lors de la détermination de l'albédo par télédétection. La connaissance des caractéristiques de la répartition angulaire du rayonnement réfléchi par la neige permet de développer une nouvelle méthode de détermination de l'albédo en zones montagneuses. Cette méthode prend en compte les effets liés à la forte variabilité topographique des terrains de montagne, à l'anisotropie du rayonnement réfléchi par la neige et par la glace ainsi que les variations spectrales de l'albédo en fonction des propriétés physiques de la surface. Elle a été appliquée à deux types de données : des photographies terrestres visibles et proche infrarouges (résolution spatiale 10 m) et des images MODIS (résolution spatiale 250 m). L'incertitude sur la valeur de l'albédo ainsi déterminée est évaluée à ±10% grâce aux mesures de terrain effectuées sur le glacier de Saint Sorlin (massif des Grandes Rousses, France). L'étude des cartes d'albédo issues de dix années (2000-2009) d'images MODIS montre qu'il n'y a pas de décroissance marquée de la valeur de l'albédo en zone d'ablation au contraire de ce qui a été prouvé pour le glacier du Morteratsch (Suisse). De plus, il existe une corrélation très élevée entre la valeur minimale de la moyenne de l'albédo sur le glacier, i.e. l'albédo moyen du glacier le jour où la ligne de neige est proche de la ligne d'équilibre, et la valeur du bilan de masse annuel spécifique. L'assimilation des données d'albédo obtenues grâce aux images MODIS et aux photographies terrestres dans le modèle de neige CROCUS permet une bonne estimation du bilan de masse spatialisé du glacier de Saint Sorlin (rmse=0.5 m w.e. pour les cinq années hydrologiques étudiées). Les forçages météorologiques utilisés pour cette étude sont de moyenne échelle. L'analyse succincte de la contribution des différents flux atmosphériques au bilan d'énergie de surface montre qu'en zone d'ablation comme en zone d'accumulation, le bilan radiatif net courtes longueurs d'ondes constitue la source principale d'énergie et que la variabilité de ce flux explique la majeure partie de la variabilité journalière de la somme des flux atmosphériques. Appliquées à d'autres glaciers, ces méthodes permettraient de savoir si les conclusions établies pour notre seul glacier d'étude sont valables pour d'autres glaciers. Elles rendraient également possibles la reconstruction du bilan de masse spatialisé sur 10 ans d'autres glaciers et potentiellement une meilleure quantification des processus physiques mis en jeu dans le bilan de masse de ces glaciers tempérés