Cette thèse s'inscrit dans le thème du rendu expressif qui vise à définir des outils de création et de traitement d'images ou d'animations stylisées. Les applications concernent tous les métiers nécessitant une représentation visuelle plus stylisée qu'une photographie : création artistique (jeux vidéo, film d'animation, dessins animés), restitution archéologique, documentation technique, etc. Un critère fondamental de qualité d'une image est l'absence d'artefacts visuels. Cette considération a toujours existé, mais elle est particulièrement importante dans le cas de l'informatique graphique. En effet, la nature même de l'image – des pixels discrets – est source d'artefacts. Les artefacts sont encore plus visibles lorsque l'on s'intéresse aux animations, des artefacts temporels s'ajoutant aux artefacts spatiaux. L'objectif de cette thèse est d'une part de formaliser et mesurer ces artefacts en tenant compte de la perception humaine, et d'autre part de proposer de nouvelles méthodes de stylisation interactive d'animations 3D. Nous présentons tout d'abord un ensemble de techniques pour créer et assurer la cohérence de dessins au trait extraits de scènes 3D animées. Nous proposons ensuite deux méthodes de stylisation des régions de couleur permettant la créations d'un grand nombre de motifs. Le point commun à toutes ces approches est la représentation du médium simulé (pigment d'aquarelle, coup de crayon ou de pinceau...) par une texture évoluant au cours de l'animation. Nous décrivons enfin deux expériences utilisateurs visant à évaluer perceptuellement la qualité des résultats produits par ce type de techniques. / This PhD thesis deals with expressive rendering, a sub-field of computer graphics which aims at defining creation and processing tools to stylize images and animations. It has applications in all the fields that need depictions more stylized than photographs, such as entertainment (e.g., video games, animated films, cartoons), virtual heritage, technical illustration, etc. A crucial criterion to assert the quality of an image is the absence of visual artifacts. While already true for traditional art, this consideration is especially important in computer graphics. Indeed the intrinsic discrete nature of an image can lead to artifacts. This is even more noticeable during animations, as temporal artifacts are added to spatial ones. The goal of this thesis is twofold: (1) To formalize and measure these artifacts by taking into account human perception; (2) To propose new interactive methods to stylize 3D animations. First we present a set of techniques to ensure the coherence of line drawings extracted form 3D animated scenes. Then we propose two methods to stylize shaded regions, which allow to create a wide variety of patterns. The shared ground layer of all these approaches is the use of temporally varying textures to represent the simulated media (e.g., watercolor pigments, brush strokes). Finally we describe two user studies aiming at evaluating the quality of the results produced by such techniques.

Le but du rendu stylisé est de produire un rendud'une scène 3D dans le style visuel particuliervoulu par un artiste.Cela nécessite de reproduire automatiquementsur ordinateur certaines caractéristiquesd'illustrations traditionnelles: par exemple,la façon dont un artiste représente les ombres et lalumière, les contours des objets, ou bien les coupsde pinceau qui ont servi à créer une peinture.Les problématiques du rendu stylisé sont pertinentesdans des domaines comme la réalisation de films d'animation 3Dou le jeu vidéo, où les studios cherchent de plus en plus à se démarquerpar des styles visuels originaux.Dans cette thèse, nous explorons des techniques destylisation qui peuvent s'intégrer dans des pipelinesde rendu temps-réel existants, et nous proposons deux contributions.La première est un outil de création de modèles d'illuminationstylisés pour des objets 3D.La conception de ces modèles est complexe et coûteuse en temps,car ils doivent produire un résultat cohérentsous une multitude d'angles de vue et d'éclairages.Nous proposons une méthode qui facilite la créationde modèles d'illumination pour le rendu stylisé,en les décomposant en sous-modèles plus simples à manipuler.Notre seconde contribution est un pipeline de rendude scènes 3D dans un style peinture,qui utilise une combinaison de bruits procéduraux 3Det de filtrage en espace écran.Des techniques de filtrage d'image ont déjà été proposéespour styliser des images ou des vidéos:le but de ce travail est d'utiliser ces filtres pourstyliser des scènes 3D tout en gardant la cohérence du mouvement.Cependant, directement appliquer un filtreen espace écran produit des défauts visuels au niveau dessilhouettes des objets.Nous proposons une méthode qui permet d'assurer la cohérence du mouvement,en guidant les filtres d'images avec des informations sur la géométrie extraites de G-buffers, et qui élimine les défauts aux silhouettes. / The goal of stylized rendering is to render 3D scenes in the visual style intended by an artist.This often entails reproducing, with some degree of automation,the visual features typically found in 2D illustrationsthat constitute the "style" of an artist.Examples of these features include the depiction of light and shade,the representation of the contours of objects,or the strokes on a canvas that make a painting.This field is relevant today in domains such as computer-generated animation orvideo games, where studios seek to differentiate themselveswith styles that deviate from photorealism.In this thesis, we explore stylization techniques that can be easilyinserted into existing real-time rendering pipelines, and propose two novel techniques in this domain.Our first contribution is a workflow that aims to facilitatethe design of complex stylized shading models for 3D objects.Designing a stylized shading model that follows artistic constraintsand stays consistent under a variety of lightingconditions and viewpoints is a difficult and time-consuming process.Specialized shading models intended for stylization existbut are still limited in the range of appearances and behaviors they can reproduce.We propose a way to build and experiment with complex shading modelsby combining several simple shading behaviors using a layered approach,which allows a more intuitive and efficient exploration of the design space of shading models.In our second contribution, we present a pipeline to render 3D scenes in painterly styles,simulating the appearance of brush strokes,using a combination of procedural noise andlocal image filtering in screen-space.Image filtering techniques can achieve a wide range of stylized effects on 2D pictures and video:our goal is to use those existing filtering techniques to stylize 3D scenes,in a way that is coherent with the underlying animation or camera movement.This is not a trivial process, as naive approaches to filtering in screen-spacecan introduce visual inconsistencies around the silhouette of objects.The proposed method ensures motion coherence by guiding filters with informationfrom G-buffers, and ensures a coherent stylization of silhouettes in a generic way.

This thesis proposes a novel image primitive - the <b>diffusion curve</b>. This primitive relies on the principle that images can be defined via their discontinuities, and concentrates image features along contours. The diffusion curve can be defined in vector graphics, as well as in raster graphics, to increase user control during the process of art creation. The <i>vectorial diffusion curve</i> primitive augments the expressive powers of vector images by capturing complex spatial appearance behaviors. Diffusion curves represent a simple and easy-to-manipulate support for complex content representation and edition. In <i>raster</i> images, diffusion curves define a higher level structural organization of the pixel image. This structure is used to create simplified or exaggerated representations of photographs in a way consistent with the original image content. Finally, a fully automatic vectorization method is presented, that converts raster diffusion curve to vector diffusion curve.

Le rendu expressif a pour objectif de développer des algorithmes qui donnent la possibilité aux utilisateurs de créer des images artistiques. Il permet non-seulement de reproduire des styles traditionnels, mais surtout de communiquer un message spécifique avec un style qui lui correspond. Dans ce manuscrit, nous proposons de nouvelles solutions pour réintroduire la forme, souvent masquée dans les images réalistes. Nous montrons tout d'abord comment extraire les informations de surface pertinentes sur des objets 3D dynamiques, en nous basant sur les caractéristiques du système visuel humain, de sorte à obtenir des informations qui fournissent des niveaux de détail automatiques tout en prenant le point de vue en compte. Dans un deuxième temps, nous utilisons ces données extraites à la surface des objets 3D pour les intégrer en temps réel dans des styles variés, allant du rendu minimaliste noir et blanc au dessin au trait, en passant par des résultats réalistes. / Expressive rendering aims at designing algorithms that give users the possibility to create artistic images. It allows to produce traditional styles, but also to convey a specific message with its corresponding style. In this thesis, we propose new solutions for enhancing shape, often hidden in realistic images. We first show how to extract relevant surface features on 3D dynamic scenes, taking the human visual system into account, in order to be able to control level-of-details. In a second step, we integrate this information in a variety of styles: minimalist black and white, realistic, or line-based renderings.