On peut atteindre des images réalistes par la simulation du transport lumineuse avec des méthodes de Monte-Carlo. La possibilité d’utiliser des sources de lumière réalistes pour synthétiser les images contribue grandement à leur réalisme physique. Parmi les modèles existants, ceux basés sur des cartes d’environnement ou des champs lumineuse sont attrayants en raison de leur capacité à capter fidèlement les effets de champs lointain et de champs proche, aussi bien que leur possibilité d’être acquis directement. Parce que ces sources lumineuses acquises ont des fréquences arbitraires et sont éventuellement de grande dimension (4D), leur utilisation pour un rendu réaliste conduit à des problèmes de performance.Dans ce manuscrit, je me concentre sur la façon d’équilibrer la précision de la représentation et de l’efficacité de la simulation. Mon travail repose sur la génération des échantillons de haute qualité à partir des sources de lumière par des estimateurs de Monte-Carlo non-biaisés. Dans ce manuscrit, nous présentons trois nouvelles méthodes.La première consiste à générer des échantillons de haute qualité de manière efficace à partir de cartes d’environnement dynamiques (i.e. qui changent au cours du temps). Nous y parvenons en adoptant une approche GPU qui génère des échantillons de lumière grâce à une approximation du facteur de forme et qui combine ces échantillons avec ceux issus de la BRDF pour chaque pixel d’une image. Notre méthode est précise et efficace. En effet, avec seulement 256 échantillons par pixel, nous obtenons des résultats de haute qualité en temps réel pour une résolution de 1024 × 768. La seconde est une stratégie d’échantillonnage adaptatif pour des sources représente comme un "light field". Nous générons des échantillons de haute qualité de manière efficace en limitant de manière conservative la zone d’échantillonnage sans réduire la précision. Avec une mise en oeuvre sur GPU et sans aucun calcul de visibilité, nous obtenons des résultats de haute qualité avec 200 échantillons pour chaque pixel, en temps réel et pour une résolution de 1024×768. Le rendu est encore être interactif, tant que la visibilité est calculée en utilisant notre nouvelle technique de carte d’ombre (shadow map). Nous proposons également une approche totalement non-biaisée en remplaçant le test de visibilité avec une approche CPU. Parce que l’échantillonnage d’importance à base de lumière n’est pas très efficace lorsque le matériau sous-jacent de la géométrie est spéculaire, nous introduisons une nouvelle technique d’équilibrage pour de l’échantillonnage multiple (Multiple Importance Sampling). Cela nous permet de combiner d’autres techniques d’échantillonnage avec le notre basé sur la lumière. En minimisant la variance selon une approximation de second ordre, nous sommes en mesure de trouver une bonne représentation entre les différentes techniques d’échantillonnage sans aucune connaissance préalable. Notre méthode est pertinence, puisque nous réduisons effectivement en moyenne la variance pour toutes nos scènes de test avec différentes sources de lumière, complexités de visibilité et de matériaux. Notre méthode est aussi efficace par le fait que le surcoût de notre approche «boîte noire» est constant et représente 1% du processus de rendu dans son ensemble. / Realistic images can be rendered by simulating light transport with Monte Carlo techniques. The possibility to use realistic light sources for synthesizing images greatly contributes to their physical realism. Among existing models, the ones based on environment maps and light fields are attractive due to their ability to capture faithfully the far-field and near-field effects as well as their possibility of being acquired directly. Since acquired light sources have arbitrary frequencies and possibly high dimension (4D), using such light sources for realistic rendering leads to performance problems.In this thesis, we focus on how to balance the accuracy of the representation and the efficiency of the simulation. Our work relies on generating high quality samples from the input light sources for unbiased Monte Carlo estimation. In this thesis, we introduce three novel methods.The first one is to generate high quality samples efficiently from dynamic environment maps that are changing over time. We achieve this by introducing a GPU approach that generates light samples according to an approximation of the form factor and combines the samples from BRDF sampling for each pixel of a frame. Our method is accurate and efficient. Indeed, with only 256 samples per pixel, we achieve high quality results in real time at 1024 × 768 resolution. The second one is an adaptive sampling strategy for light field light sources (4D), we generate high quality samples efficiently by restricting conservatively the sampling area without reducing accuracy. With a GPU implementation and without any visibility computations, we achieve high quality results with 200 samples per pixel in real time at 1024 × 768 resolution. The performance is still interactive as long as the visibility is computed using our shadow map technique. We also provide a fully unbiased approach by replacing the visibility test with a offline CPU approach. Since light-based importance sampling is not very effective when the underlying material of the geometry is specular, we introduce a new balancing technique for Multiple Importance Sampling. This allows us to combine other sampling techniques with our light-based importance sampling. By minimizing the variance based on a second-order approximation, we are able to find good balancing between different sampling techniques without any prior knowledge. Our method is effective, since we actually reduce in average the variance for all of our test scenes with different light sources, visibility complexity, and materials. Our method is also efficient, by the fact that the overhead of our "black-box" approach is constant and represents 1% of the whole rendering process.

Depuis quelques décennies, les communautés d'informatique graphique et de vision ont contribué à l'émergence de technologies permettant la numérisation d'objets 3D. Une demande grandissante pour ces technologies vient des acteurs de la culture, notamment pour l'archivage, l'étude à distance et la restauration d'objets du patrimoine culturel : statuettes, grottes et bâtiments par exemple. En plus de la géométrie, il peut être intéressant de numériser la photométrie avec plus ou moins de détail : simple texture (2D), champ de lumière (4D), SV-BRDF (6D), etc. Nous formulons des solutions concrètes pour la création et le traitement de champs de lumière surfaciques représentés par des fonctions de radiance attachés à la surface.Nous traitons le problème de la phase de construction de ces fonctions à partir de plusieurs prises de vue de l'objet dans des conditions sur site : échantillonnage non structuré voire peu dense et bruité. Un procédé permettant une reconstruction robuste générant un champ de lumière surfacique variant de prévisible et sans artefacts à excellente, notamment en fonction des conditions d'échantillonnage, est proposé. Ensuite, nous suggérons un algorithme de simplification permettant de réduire la complexité mémoire et calculatoire de ces modèles parfois lourds. Pour cela, nous introduisons une métrique qui mesure conjointement la dégradation de la géométrie et de la radiance. Finalement, un algorithme d'interpolation de fonctions de radiance est proposé afin de servir une visualisation lisse et naturelle, peu sensible à la densité spatiale des fonctions. Cette visualisation est particulièrement bénéfique lorsque le modèle est simplifié. / Vision and computer graphics communities have built methods for digitizing, processing and rendering 3D objects. There is an increasing demand coming from cultural communities for these technologies, especially for archiving, remote studying and restoring cultural artefacts like statues, buildings or caves. Besides digitizing geometry, there can be a demand for recovering the photometry with more or less complexity : simple textures (2D), light fields (4D), SV-BRDF (6D), etc. In this thesis, we present steady solutions for constructing and treating surface light fields represented by hemispherical radiance functions attached to the surface in real-world on-site conditions. First, we tackle the algorithmic reconstruction-phase of defining these functions based on photographic acquisitions from several viewpoints in real-world "on-site" conditions. That is, the photographic sampling may be unstructured and very sparse or noisy. We propose a process for deducing functions in a manner that is robust and generates a surface light field that may vary from "expected" and artefact-less to high quality, depending on the uncontrolled conditions. Secondly, a mesh simplification algorithm is guided by a new metric that measures quality loss both in terms of geometry and radiance. Finally, we propose a GPU-compatible radiance interpolation algorithm that allows for coherent radiance interpolation over the mesh. This generates a smooth visualisation of the surface light field, even for poorly tessellated meshes. This is particularly suited for very simplified models.

Tesis por compendio / La presente tesis doctoral, titulada "Contribution to the modelling of the light field distribution within Synechocystis sp. PCC 6803 cultures and its influence on cellular photosynthesis processes", engloba diversos trabajos cuyo objetivo es avanzar en la compresión de la distribución lumínica en cultivos de cianobacterias y en los efectos de la luz sobre los mecanismos fotosintéticos de dichos microorganismos. Se trata, en definitiva, de otro paso hacia la integración de modelos matemáticos sobre la fotosíntesis a nivel celular y a escala de cultivo. En primer lugar, para comprender cómo se comporta un cultivo de bacterias fotosintéticas, es fundamental predecir la distribución del campo de luz a lo largo del perfil del biorreactor, tanto a nivel de intensidad total, como respecto a su distribución de flujo de fotones. La distribución de longitudes de onda presente en el medio es importante puesto que muchos procesos de la fotosíntesis están regulados por ciertas longitudes de onda y, por tanto, están modulados por la distribución espectral - el color - de la luz. Aprovechando las propiedades inherentes ópticas del cultivo, se desarrolló un modelo matemático basado en el concepto de campo auto-consistente. Este algoritmo, bautizado en la correspondiente publicación como Auto-consistent Field Approximation Algorithm (AFA), proporciona una predicción del campo lumínico, incluyendo la evolución espectral del mismo a lo largo del camino óptico, para cultivos aclimatados a distintos valores de radiación. Dicha investigación se publicó en la revista Algal Research mediante el artículo titulado "Light distribution and spectral composition within cultures of micro-algae: Quantitative modelling of the light field in photobioreactors", en el que se valida el algoritmo con datos experimentales de dos cepas de estudio de la cianobacteria Synechocystis. Si bien los resultados fueron satisfactorios, el empleo de la ley de Lambert-Beer con un valor constante de atenuación no permite modelizar la parte del campo de luz con menor intensidad, donde el coeficiente de atenuación deja de ser constante y el comportamiento se desvía del exponencial. Por ello, se decidió modelizar el campo de luz con una función que generaliza el caso exponencial mediante el uso de cálculo fraccionario. Se empleó una función de Mittag-Leffler que cumplía con los requisitos formales y ofrecía un ajuste de los datos mejor al obtenido mediante la ley de Lambert-Beer. Como un hallazgo notable, se determinó que el valor de dicho parámetro, que caracteriza la función de Mittag-Leffler, era el mismo para los datos empíricos de las dos cepas estudiadas. Este trabajo se publicó en la contribución llamada "Estimation of the light field inside photosynthetic microorganism cultures through Mittag-Leffler functions at depleted light conditions" en la revista Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer. Después se procedió a utilizar sendos trabajos de investigación para calcular el campo de luz en un cultivo de Synechocystis y relacionarlo con su productividad máxima. En concreto se ha estudiado, como indicador del rendimiento de la fotosíntesis, la producción de oxígeno y los mecanismos respiratorios asociados a distintas intensidades de luz. Esta investigación está en su fase final y se está ultimando la escritura del artículo para enviarlo a una revista científica próximamente. Dicho manuscrito se titula "Experimental characterisation of Synechocystis sp. PCC 6803 cultures productivity up on light conditions". Finalmente, se está desarrollando una cuarta contribución titulada "Individual pigment contribution to overall in vivo absorption in Synechocystis sp. PCC 6803 cells". Esta investigación estudia la cantidad de luz absorbida por los cromóforos de Synechocystis en función del tipo de iluminación utilizada y calcula la concentración de pigmentos presentes en la célula. / The present doctoral thesis, entitled "Contribution to the modelling of the light field distribution within Synechocystis sp PCC 6803 cultures and its influence on cellular photosynthesis processes", includes several works whose objective is to advance in the understanding of the light distribution in cyanobacterial cultures and in the effects of light on the photosynthetic mechanisms of these microorganisms. It is, ultimately, another step towards the integration of mathematical models on photosynthesis at the cellular level and at the scale of culture. First, to understand how a culture of photosynthetic bacteria behaves, it is essential to predict the distribution of the light field along the bioreactor profile, both at the level of total intensity and with respect to its photon flux distribution. The distribution of wavelengths present in the medium is important since many processes of photosynthesis are regulated by certain wavelengths and are therefore modulated by the spectral distribution - the colour - of the light. Taking advantage of the inherent optical properties of the culture, a mathematical model based on the self-consistent field concept was developed. This algorithm, named in the corresponding publication as Auto-consistent Field Approximation Algorithm (AFA), provides an estimation of the light field, including the spectral evolution thereof along the optical path-length, for acclimated cultures to different radiation values. This research was published in the journal Algal Research through the article entitled "Light distribution and spectral composition within cultures of micro-algae: Quantitative modelling of the light field in photobioreactors", in which the algorithm is validated with experimental data of two strains of study of the cyanobacterium Synechocystis. Although the results were satisfactory, the use of the Lambert-Beer Law with a constant attenuation value, cannot correctly model the part of the light field with less intensity, where the attenuation coefficient ceases to be constant and the behaviour deviates from the exponential. Therefore, it was decided to model the light field with a function that generalizes the exponential case through the use of fractional calculus. A Mittag-Leffler function was used that fulfilled the formal requirements and offered a better data fit than that obtained with the Lambert-Beer law. As a remarkable finding, it was determined that the value of this parameter, which characterises the Mittag-Leffler function, was the same for the empirical data of both studied strains. This work was published in the contribution called "Estimation of the light field in photosynthetic microorganism cultures through Mittag-Leffler functions at depleted light conditions" in the journal Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer. Thereafter we proceeded to use both research works to calculate the light field within Synechocystis cultures and relate it to its maximum productivity. Specifically, it has been studied, as an indicator of the performance of photosynthesis, the production of oxygen and the associated respiratory mechanisms under different light intensities. This research is in its final phase and the writing of the article is being finalised to submit it to a scientific journal soon. This manuscript is entitled "Experimental characterization of Synechocystis sp. PCC 6803 cultures productivity up on light conditions". Finally, a fourth contribution entitled "Individual pigment contribution to overall in vivo absorption in Synechocystis sp. PCC 6803 cells" is under development. This research studies the amount of light absorbed by Synechocystis chromophores according to the type of employed illumination and calculates the concentration of pigments present in the cell. / La present tesi doctoral, titulada "Contribution to the modelling of the light field distribution within Synechocystis sp. PCC 6803 cultures and its influence on cellular photosynthesis processes", engloba diversos treballs l'objectiu dels quals és avançar en la compressió de la distribució lumínica en cultius de cianobacteris i en els efectes de la llum sobre els mecanismes fotosintètics d'aquests microorganismes. Llavors, es tracta en definitiva d'un altre pas cap a la integració de models matemàtics sobre la fotosíntesi a nivell cel·lular i a escala de cultiu. En primer lloc, per a comprendre com es comporta un cultiu de bacteris fotosintètics, és fonamental predir la distribució del camp de llum al llarg del perfil del bioreactor, tant a nivell d'intensitat total, com pel que fa a la seua distribució de flux de fotons. La distribució de longituds d'ona present en el medi és important ja que molts processos de la fotosíntesi estan regulats per certes longituds d'ona i, per tant, estan modulats per la distribució espectral - el color - de la llum. Aprofitant les propietats inherents òptiques del cultiu, es va desenvolupar un model matemàtic basat en el concepte de camp auto-consistent. Aquest algoritme, batejat en la corresponent publicació com Auto-consistent Field Approximation Algorithm (AFA), proporciona una predicció del camp lumínic, incloent l'evolució espectral del mateix al llarg del camí òptic, per a cultius aclimatats a diferents valors de radiació. Aquesta investigació es va publicar a la revista Algal Research mitjançant l'article titulat "Light distribution and espectral composition within cultures of micro-algae: Quantitative modelling of the light field in photobioreactors", en què es valida l'algoritme amb dades experimentals de dues soques d'estudi de la cianobacteri Synechocystis. Si bé els resultats van ser satisfactoris, l'ús de la llei de Lambert-Beer amb un valor constant d'atenuació no permet modelitzar la part del camp de llum amb menys intensitat, on el coeficient d'atenuació deixa de ser constant i el comportament es desvia del exponencial. Per això, es va decidir modelitzar el camp de llum amb una funció que generalitza el cas exponencial mitjançant l'ús de càlcul fraccionari. Es va emprar una funció de Mittag-Leffler que complia amb els requisits formals i oferia un ajust de les dades millor a l'obtingut mitjançant la llei de Lambert-Beer. Com una troballa notable, es va determinar que el valor d'aquest paràmetre, que caracteritza la funció de Mittag-Leffler, era el mateix per a les dades empíriques de les dues soques estudiades. Aquest treball es va publicar en la contribució anomenada "Estimation of the light field inside Photosynthetic microorganisme cultures through Mittag-Leffler functions at depleted light conditions" a la revista Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer. Després, es va procedir a utilitzar sengles treballs d'investigació per calcular el camp de llum en un cultiu de Synechocystis i relacionar-lo amb la seua productivitat màxima. En concret s'ha estudiat, com a indicador del rendiment de la fotosíntesi, la producció d'oxigen i els mecanismes respiratoris associats a diferents intensitats de llum. Aquesta investigació està en la seua fase final i s'està ultimant l'escriptura de l'article per enviar-lo a una revista científica pròximament. Dit manuscrit es titula "Experimental characterisation of Synechocystis sp. PCC 6803 cultures productivity up on light conditions". Finalment, s'està desenvolupant una quarta contribució titulada "Individual pigment contribution to overall in vivo absorption in Synechocystis sp. PCC 6803 cells". Aquesta recerca estudia la quantitat de llum absorbida pels cromòfors de Synechocystis en funció del tipus d'il·luminació utilitzada i calcula la concentració de pigments presents en la cèl·lula. / Fuente Herraiz, D. (2018). Contribution to the modelling of the light field distribution within Synechocystis sp. PCC 6803 cultures and its influence on cellular photosynthesis processes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/106362 / Compendio

The thesis composes conventional and modern methods for digital scene capturing. The target of the thesis is a comparison of CMOS with Bayer mask and Foveon X3 Merrill sensors followed by a design of algorithms for image fusion which can combine advantages of the both sensor types. The thesis starts with an introduction and a description of methods and processes leading to scene capturing. The next part deals with capturing a gallery of test images and with a comparison of both sensors based on the gallery images. Further there are algorithms designed for image fusion which can combine advantages of the selected sensors. The last part of the thesis is devoted to an evaluation of results and of the used algorithms.

Denna undersökning har studerat ett lätt infanteriförbands användning av kombinerad bekämpning som metod för verkan under en amfibieoperation samt vilka aspekter som påverkade möjligheten till kombinerad bekämpning p.g.a. operationens amfibiska karaktär. Fallet har utgjorts av Parachute Regiments två bataljoner som under Falklandskriget utkämpade tre slag vid Darwin – Goose Green, Mount Longdon och Wireless Ridge. Som analysverktyg har använts Robert Leonhards teori om den kombinerade bekämpningens tre principer. Indikatorer på principerna har varit syften med verkan hämtade ur teorin om de grundläggande förmågorna. Två av slagen befanns endast delvis kännetecknas av Leonhards två första principer, principerna om kompletterande system och dilemman. Den tredje principen om fördelaktig terräng uppfylldes inte. Det tredje slaget regementet utkämpade kännetecknades helt igenom av Leonhards två första principer medan den tredje delvis beaktades. Undersökningen konstaterar att kombinerad bekämpning som metod för verkan kan utvecklas av ett lätt infanteriförband under en amfibieoperation. Dock ledde ofördelaktig disponering av förbandet i de aktuella fallen till att kombinerad bekämpning tidvis omöjliggjordes. Leonhards tredje princip tenderade att förringas. De specifikt amfibiska aspekterna avseende möjligheten till kombinerad bekämpning utgjordes främst av tillgången till fartygsartilleri, kraven på helikoptertransporterbart fältartilleri samt bristen på lätta trossfordon. / This dissertation has investigated how a light infantry force has used combined arms during an amphibious operation, specific factors related to the operations character affecting the possibility to develop combined arms have also been highlighted. The case chosen for the study was Parachute Regiments actions during the three battles of Darwin – Goose Green, Mount Longdon and Wireless Ridge during the Falklands War. As a analytical tool Robert Leonhard’s theory about the three principles of combined arms was used together with indicators borrowed from the theory about the warfighting functions purposes of fires. Two of the battles were found to be only partially characterized by Leonhard’s first two principles, complementary systems and dilemmas. The third principle about favorable terrain was neglected. The third battle was throughout characterized by the first two principles and to a larger extent than the former by the third principle. The dissertation concludes that light infantry can use combined arms during amphibious operations. The battles studied were, however, often characterized by unfavorable disposition of the force which affected the possibilities to use combined arms. Leonhard´s third principle was usually neglected. The most important amphibious aspects affecting the possibilities to combined arms were found to be naval gunfire support, light field artillery and the scarcity of light all-terrain vehicles.