En synthèse d'images, le principal calcul à effectuer pour générer une image a été formalisé dans une équation appelée équation du rendu [Kajiya1986]. Cette équation est la intègre la conservation de l'énergie dans le transport de la lumière. Elle stipule que l'énergie lumineuse renvoyée, par les objets d'une scène, dans une direction donnée est égale à la somme de l'énergie émise et réfléchie par ceux-ci. De plus, l'énergie réfléchie par un élément de surface est définie comme la convolution de l'éclairement incident avec une fonction de réflectance. Cette dernière modélise le matériau (au sens physique) de l'objet et joue le rôle d'un filtre directionnel et énergétique dans l'équation du rendu, simulant ainsi la manière dont la surface se comporte vis-à-vis d'une réflexion. Dans ce mémoire de thèse, nous introduisons de nouvelles représentations pour la fonction de réflectance ainsi que pour la représentation de l'éclairement incident. Dans la première partie de ce mémoire, nous proposons deux nouveaux modèles pour représenter la fonction de réflectance. Le premier modèle s'inscrit dans une démarche artistique et est destiné à faciliter la création et l'édition des reflets spéculaires. Son principe est de laisser l'utilisateur peindre et esquisser les caractéristiques (forme, couleur, gradient et texture) du reflet spéculaire dans un plan de dessin paramétrisé en fonction de la direction de la réflexion miroir de la lumière. Le but du second modèle est de représenter de manière compacte et efficace les mesures des matériaux isotropes. Pour ce faire, nous introduisons une nouvelle représentation à base de polynômes rationnels. Les coefficients de ces derniers sont obtenus à l'aide d'un processus d'approximation qui garantit une solution optimale au sens de la convergence. Dans la seconde partie de ce mémoire, nous introduisons une nouvelle représentation volumétrique pour l'éclairement indirect représenté directionnellement à l'aide de vecteurs d'irradiance. Nous montrons que notre représentation est compacte et robuste aux variations géométriques et qu'elle peut être utilisée comme système de cache pour du rendu temps réel ou non, ainsi que dans le cadre de la transmission progressive des données (\textit{streaming}). Enfin, nous proposons deux types de modifications de l'éclairement incident afin de mettre en valeur les détails et les formes d'une surface. Le première modification consiste à perturber les directions de l'éclairement incident tandis que la seconde consiste à en modifier l'intensité. / In image synthesis, the main computation involved to generate an image is characterized by an equation named rendering equation [Kajiya1986]. This equation represents the law of energy conservation. It stipulates that the light emanating from the scene objects is the sum of the emitted energy and the reflected energy. Moreover, the reflected energy at a surface point is defined as the convolution of the incoming lighting with a reflectance function. The reflectance function models the object material and represents, in the rendering equation, a directional and energetic filter that describes the surface behavior regarding the reflection. In this thesis, we introduce new representations for the reflectance function and the incoming lighting. In the first part of this thesis, we propose two new models for the reflectance function. The first model is targeted for artists to help them create and edit highlights. Our main idea is to let the user paint and sketch highlight characteristics (shape, color, gradient and texture) in a plane parametrized by the incident lighting direction. The second model is designed to represent efficiently isotropic material data. To achieve this result, we introduce a new representation of the reflectance function that uses rational polynomials. Their coefficients are computed using a fitting process that guarantees an optimal solution regarding convergence. In the second part of this thesis, we introduce a new volumetric structure for indirect illumination that is directionally represented with irradiance vector. We show that our representation is compact and robust to geometric variations, that it can be used as caching system for interactive and offline rendering and that it can also be transmitted with streaming techniques. Finally, we introduce two modifications of the incoming lighting to improve the shape depiction of a surface. The first modification consists in warping the incoming light directions whereas the second one consists in scaling the intensity of each light source.

La génération d'images de synthèse pour la production cinématographique n'a cessé d'évoluer durant ces dernières décennies. Pour le non-expert, il semble que les effets spéciaux aient atteint un niveau de réalisme ne pouvant être dépassé. Cependant, les logiciels mis à la disposition des artistes ont encore du progrès à accomplir. En effet, encore trop de temps est passé à attendre le résultat de longs calculs, notamment lors de la prévisualisation d'effets spéciaux. La lenteur ou la mauvaise qualité des logiciels de prévisualisation pose un réel problème aux artistes. Cependant, l'évolution des cartes graphiques ces dernières années laisse espérer une potentielle amélioration des performances de ces outils, notamment par la mise en place d'algorithmes hybrides rasterisation/ lancer de rayons, tirant profit de la puissance de calcul de ces processeurs, et ce, grâce à leur architecture massivement parallèle. Cette thèse explore les différentes briques logicielles nécessaires à la mise en place d'un pipeline de rendu complexe sur carte graphique, permettant une meilleure prévisualisation des effets spéciaux. Différentes contributions ont été apportées à l'entreprise durant cette thèse. Tout d'abord, un pipeline de rendu hybride a été développé (cf. Chapitre 2). Par la suite, différentes méthodes d'implémentation de l'algorithme de Path Tracing ont été testées (cf. Chapitre 3), de façon à accroître les performances du pipeline de rendu sur GPU. Une structure d'accélération spatiale a été implémentée (cf. Chapitre 4), et une amélioration de l'algorithme de traversée de cette structure sur GPU a été proposée (cf. Section 4.3.2). Ensuite, une nouvelle méthode de décorrélation d'échantillons, dans le cadre de la génération de nombres aléatoires a été proposée (cf. Section 5.4) et a donné lieu à une publication [Dufay et al., 2016]. Pour finir, nous avons tenté de combiner l'algorithme de Path Tracing et les solutions Many Lights, toujours dans le but d'améliorer la prévisualisation de l'éclairage global. Cette thèse a aussi donné lieu à la soumission de trois mémoires d'invention et a permis le développement de deux outils logiciels présentés en Annexe A. / Image synthesis for movie production never stopped evolving over the last decades. It seems it has reached a level of realism that cannot be outperformed. However, the software tools available for visual effects (VFX) artists still need to progress. Indeed, too much time is still wasted waiting for results of long computations, especially when previewing VFX. The delays or poor quality of previsualization software poses a real problem for artists. However, the evolution of graphics processing units (GPUs) in recent years suggests a potential improvement of these tools. In particular, by implementing hybrid rasterization/ray tracing algorithms, taking advantage of the computing power of these processors and their massively parallel architecture. This thesis explores the different software bricks needed to set up a complex rendering pipeline on the GPU, that enables a better previsualization of VFX. Several contributions have been brought during this thesis. First, a hybrid rendering pipeline was developed (cf. Chapter 2). Subsequently, various implementation schemes of the Path Tracing algorithm have been tested (cf. Chapter 3), in order to increase the performance of the rendering pipeline on the GPU. A spatial acceleration structure has been implemented (cf. Chapter 4), and an improvement of the traversal algorithm of this structure on GPU has been proposed (cf. Section 4.3.2). Then, a new sample decorrelation method, in the context of random number generation was proposed (cf. Section 5.4) and resulted in a publication [Dufay et al., 2016]. Finally, we combined the Path Tracing algorithm with the Many Lights solution, always with the aim of improving the preview of global illumination. This thesis also led to the submission of three patents and allowed the development of two software tools presented in Appendix A.

La synthèse d'images a connu au cours des dernières années un développement impressionnant. L'amélioration du matériel d'une part, et la conception des nouveaux algorithmes d'autre part, nous permettent aujourd'hui de synthétiser des images réalistes de très haute qualité. Malgré cela, beaucoup de problèmes restent à résoudre. Dans ce mémoire nous allons nous intéresser principalement aux problèmes du rendu des images, c'est-à-dire la génération des images depuis un modèle géométrique bien défini. Les domaines qui nous intéressent sont la détermination de la visibilité et le rendu haute qualité, le calcul de l'éclairage sur les objets du modèle, le rendu interactif de ces images y compris pour la réalité augmentée, (les scènes mixtes, contenant à la fois des objets réels et virtuels). Ces trois domaines regroupent l'ensemble de nos travaux pendant cette période.

Réalisé en cotutelle avec l'Université Bordeaux 1 (France) / En synthèse d'images, le principal calcul à effectuer pour générer une image a été formalisé dans une équation appelée équation du rendu [Kajiya1986]. Cette équation est la intègre la conservation de l'\'energie dans le transport de la lumi\`ere. Elle stipule que l'énergie lumineuse renvoyée, par les objets d'une scène, dans une direction donnée est égale à la somme de l'énergie émise et réfléchie par ceux-ci. De plus, l'énergie réfléchie par un élément de surface est définie comme la convolution de l'éclairement incident avec une fonction de réflectance. Cette dernière modélise le matériau (au sens physique) de l'objet et joue le rôle d'un filtre directionnel et énergétique dans l'équation du rendu, simulant ainsi la manière dont la surface se comporte vis-à-vis d'une réflexion. Dans ce mémoire de thèse, nous introduisons de nouvelles représentations pour la fonction de réflectance ainsi que pour la représentation de l'éclairement incident. Dans la première partie de ce mémoire, nous proposons deux nouveaux modèles pour représenter la fonction de réflectance. Le premier modèle s'inscrit dans une démarche artistique et est destiné à faciliter la création et l'édition des reflets spéculaires. Son principe est de laisser l'utilisateur peindre et esquisser les caractéristiques (forme, couleur, gradient et texture) du reflet spéculaire dans un plan de dessin paramétrisé en fonction de la direction de la réflexion miroir de la lumière. Le but du second modèle est de représenter de manière compacte et efficace les mesures des matériaux isotropes. Pour ce faire, nous introduisons une nouvelle représentation à base de polynômes rationnels. Les coefficients de ces derniers sont obtenus à l'aide d'un processus d'approximation qui garantit une solution optimale au sens de la convergence. Dans la seconde partie de ce mémoire, nous introduisons une nouvelle représentation volumétrique pour l'éclairement indirect représenté directionnellement à l'aide de vecteurs d'irradiance. Nous montrons que notre représentation est compacte et robuste aux variations géométriques et qu'elle peut être utilisée comme système de cache pour du rendu temps réel ou non, ainsi que dans le cadre de la transmission progressive des données (streaming). Enfin, nous proposons deux types de modifications de l'éclairement incident afin de mettre en valeur les détails et les formes d'une surface. Le première modification consiste à perturber les directions de l'éclairement incident tandis que la seconde consiste à en modifier l'intensité. / In image synthesis, the main computation involved to generate an image is characterized by an equation named rendering equation [Kajiya1986]. This equation represents the law of energy conservation. It stipulates that the light emanating from the scene objects is the sum of the emitted energy and the reflected energy. Moreover, the reflected energy at a surface point is defined as the convolution of the incoming lighting with a reflectance function. The reflectance function models the object material and represents, in the rendering equation, a directional and energetic filter that describes the surface behavior regarding the reflection. In this thesis, we introduce new representations for the reflectance function and the incoming lighting. In the first part of this thesis, we propose two new models for the reflectance function. The first model is targeted for artists to help them create and edit highlights. Our main idea is to let the user paint and sketch highlight characteristics (shape, color, gradient and texture) in a plane parametrized by the incident lighting direction. The second model is designed to represent efficiently isotropic material data. To achieve this result, we introduce a new representation of the reflectance function that uses rational polynomials. Their coefficients are computed using a fitting process that guarantees an optimal solution regarding convergence. In the second part of this thesis, we introduce a new volumetric structure for indirect illumination that is directionally represented with irradiance vector. We show that our representation is compact and robust to geometric variations, that it can be used as caching system for interactive and offline rendering and that it can also be transmitted with streaming techniques. Finally, we introduce two modifications of the incoming lighting to improve the shape depiction of a surface. The first modification consists in warping the incoming light directions whereas the second one consists in scaling the intensity of each light source.

Explorer et comprendre des données volumétriques ou surfaciques est un des nombreux enjeux du domaine de l'informatique graphique. L'apparence de telles données peut être modélisée et visualisée en utilisant la théorie du transport lumineux. Afin de rendre une telle visualisation compréhensible, le recours à des matériaux transparents est très répandu. Si des solutions existent pour simuler correctement la propagation de la lumière et ainsi afficher des objets semi-transparents, offrir une visualisation compréhensible reste un sujet de recherche ouvert. Le but de cette thèse est double. Tout d'abord, une analyse approfondie du modèle optique pour le transport de la lumière et ses implications sur la génération d'images par ordinateur doit être effectuée. Ensuite, cette connaissance pourra être utilisée pour proposer des solutions efficaces et fiables pour visualiser des milieux transparents et semi-transparents. Dans ce manuscrit, premièrement, nous présentons le modèle optique communément utilisé pour modéliser le transport de la lumière dans des milieux participatifs, sa simplification si l'on réduit la situation à des surfaces et la manière dont ces modèles sont utilisés en informatique graphique pour générer des images. Deuxièmement, nous présentons une solution pour améliorer la représentation des formes dans le cas particulier des surfaces. La technique proposée utilise le transport lumineux comme base pour modifier le processus d'éclairage et modifier l'apparence et l'opacité des matériaux. Troisièmement, nous nous concentrons sur la problématique de l’utilisation de données volumétriques au lieu du cas simplifié des surfaces. Dans ce cas, le fait de ne modifier que les propriétés du matériau a un impact limité. Nous étudions donc comment le transport lumineux peut être utilisé pour fournir des informations utiles à la compréhension de milieux participatifs. Enfin, nous présentons notre modèle de transport lumineux pour les milieux participatifs, qui vise à explorer une région d'intérêt d’un volume. / Exploring and understanding volumetric or surface data is one of the challenges of Computer Graphics. The appearance of these data can be modeled and visualized using light transport theory. For the sake of understanding such a data visualization, transparent materials are widely used. If solutions exist to correctly simulate the light propagation and display semi-transparent objects, offering a understandable visualization remains an open research topic. The goal of this thesis is twofold. First, an in-depth analysis of the optical model for light transport and its implication on computer generated images is performed. Second, this knowledge can be used to tackle the problematic of providing efficient and reliable solution to visualize transparent and semi-transparent media. In this manuscript, we first introduce the general optical model for light transport in participating media, its simplification to surfaces, and how it is used in computer graphics to generate images. Second, we present a solution to improve shape depiction in the special case of surfaces. The proposed technique uses light transport as a basis to change the lighting process and modify the materials appearance and opacity. Third, we focus on the problematic of using full volumetric data instead of the simplified case of surfaces. In this case, changing only the material properties has a limited impact, thus we study how light transport can be used to provide useful information for participating media. Last, we present our light transport model for participating media that aims at exploring part of interest of a volume.

En synthèse d'images, le principal calcul à effectuer pour générer une image a été formalisé dans une équation appelée équation du rendu [Kajiya1986]. Cette équation est la intègre la conservation de l'\'energie dans le transport de la lumi\`ere. Elle stipule que l'énergie lumineuse renvoyée, par les objets d'une scène, dans une direction donnée est égale à la somme de l'énergie émise et réfléchie par ceux-ci. De plus, l'énergie réfléchie par un élément de surface est définie comme la convolution de l'éclairement incident avec une fonction de réflectance. Cette dernière modélise le matériau (au sens physique) de l'objet et joue le rôle d'un filtre directionnel et énergétique dans l'équation du rendu, simulant ainsi la manière dont la surface se comporte vis-à-vis d'une réflexion. Dans ce mémoire de thèse, nous introduisons de nouvelles représentations pour la fonction de réflectance ainsi que pour la représentation de l'éclairement incident. Dans la première partie de ce mémoire, nous proposons deux nouveaux modèles pour représenter la fonction de réflectance. Le premier modèle s'inscrit dans une démarche artistique et est destiné à faciliter la création et l'édition des reflets spéculaires. Son principe est de laisser l'utilisateur peindre et esquisser les caractéristiques (forme, couleur, gradient et texture) du reflet spéculaire dans un plan de dessin paramétrisé en fonction de la direction de la réflexion miroir de la lumière. Le but du second modèle est de représenter de manière compacte et efficace les mesures des matériaux isotropes. Pour ce faire, nous introduisons une nouvelle représentation à base de polynômes rationnels. Les coefficients de ces derniers sont obtenus à l'aide d'un processus d'approximation qui garantit une solution optimale au sens de la convergence. Dans la seconde partie de ce mémoire, nous introduisons une nouvelle représentation volumétrique pour l'éclairement indirect représenté directionnellement à l'aide de vecteurs d'irradiance. Nous montrons que notre représentation est compacte et robuste aux variations géométriques et qu'elle peut être utilisée comme système de cache pour du rendu temps réel ou non, ainsi que dans le cadre de la transmission progressive des données (streaming). Enfin, nous proposons deux types de modifications de l'éclairement incident afin de mettre en valeur les détails et les formes d'une surface. Le première modification consiste à perturber les directions de l'éclairement incident tandis que la seconde consiste à en modifier l'intensité. / In image synthesis, the main computation involved to generate an image is characterized by an equation named rendering equation [Kajiya1986]. This equation represents the law of energy conservation. It stipulates that the light emanating from the scene objects is the sum of the emitted energy and the reflected energy. Moreover, the reflected energy at a surface point is defined as the convolution of the incoming lighting with a reflectance function. The reflectance function models the object material and represents, in the rendering equation, a directional and energetic filter that describes the surface behavior regarding the reflection. In this thesis, we introduce new representations for the reflectance function and the incoming lighting. In the first part of this thesis, we propose two new models for the reflectance function. The first model is targeted for artists to help them create and edit highlights. Our main idea is to let the user paint and sketch highlight characteristics (shape, color, gradient and texture) in a plane parametrized by the incident lighting direction. The second model is designed to represent efficiently isotropic material data. To achieve this result, we introduce a new representation of the reflectance function that uses rational polynomials. Their coefficients are computed using a fitting process that guarantees an optimal solution regarding convergence. In the second part of this thesis, we introduce a new volumetric structure for indirect illumination that is directionally represented with irradiance vector. We show that our representation is compact and robust to geometric variations, that it can be used as caching system for interactive and offline rendering and that it can also be transmitted with streaming techniques. Finally, we introduce two modifications of the incoming lighting to improve the shape depiction of a surface. The first modification consists in warping the incoming light directions whereas the second one consists in scaling the intensity of each light source. / Réalisé en cotutelle avec l'Université Bordeaux 1 (France)