La simulation d'éclairage peut être utilisée pour l'étude et l'analyse du confort visuel ou de la performance de dispositifs d'éclairage. Pour répondre à de tels objectifs, les méthodes utilisées doivent résoudre de manière précise et réaliste la problématique de l'illumination globale. De plus, les logiciels de simulation d'éclairage doivent souvent manipuler des scènes géométriquement complexes mais aussi exploiter les propriétés photométriques réalistes des sources artificielles étendues, des sources naturelles et des matériaux. L'objectif du travail de thèse est d'étendre les possibilités de ces outils à la prise en compte d'environnements enfumés dans lesquels la densité et la répartition des fumées évoluent avec le temps, tout en considérant le déplacement d'un observateur virtuel dans la scène. De telles possibilités ouvriraient le champ des possibilités de la simulation d'éclairage à des cas d'étude de la vision dans les fumées pour la sécurité incendie par exemple. Suite à une analyse globale du problème (interaction lumière/matériaux, lumière/fumée, évolution de la fumée dans le temps), le travail de recherche est décomposé en trois parties. Nous présentons dans un premier temps une nouvelle méthode de résolution de l'illumination globale pour les objets surfaciques basée sur la méthode de cache d'éclairement avec des enregistrements dont les zones d'influence s'adaptent à la géométrie et aux variations d'éclairage. Nous appelons ces enregistrements des \textit{enregistrements adaptatifs} Cette technique permet de contrôler plus finement la densité du cache. Par la suite, les travaux s'intéressent en détail à la problématique des milieux participatifs statiques et de leur interaction avec la lumière. Une méthode de résolution, s'appuyant sur les travaux de la première partie, est alors proposée. Les enregistrements adaptatifs sont créés dans l'espace en fonction des caractéristiques de la fumée (coefficients de diffusion et d'absorption) et de son influence sur l'éclairage global. Enfin, l'aspect dynamique est étudié et une extension temporelle de la méthode de simulation d'éclairage en présence de milieux participatifs est alors proposée. Nous introduisons le concept d'enregistrements adaptatifs spatio-temporels (pour les surfaces et les volumes) pour interpoler les variations d'éclairement à la fois dans l'espace et dans le temps.

L'utilisation d'images de synthèse photo réalistes est aujourd'hui devenue commune, que ce soit pour la réalisation de films, la création d'environnements virtuels à des fins vidéo ludiques comme le jeu, ou même pour la prévisualisation de projets architecturaux. La compréhension et les avancées technologiques de ces 20 dernières années permettent maintenant de créer des images très réalistes. Dans certains cas, il est même devenu difficile, voire même impossible, de faire la distinction entre une photo d'un objet réel et une image virtuelle. Mais, pour atteindre un tel degré de réalisme, il faut créer des algorithmes complexes et coûteux, capables de simuler les lois physiques qui gouvernent les interactions de la lumière avec la matière. Les milieux participatifs en sont un parfait exemple. Ils sont incontournables et doivent être intégrés pendant les processus de création que ce soit pour simuler de la fumée, des nuages ou bien pour créer une atmosphère crédible. Malgré les performances toujours plus grandes des ordinateurs modernes, il est encore actuellement impossible de reproduire fidèlement dans un temps raisonnable. Certains effets visuels comme les caustiques ou la diffusion multiple sont difficiles à reproduire pour certains types d'algorithmes, si bien que l’on se limite souvent à une simplification des interactions. C’est encore plus vrai pour les applications temps réels qui nécessitent souvent des rendus à 30 images par seconde. La quantité et la qualité des images à calculer peuvent aussi être tellement importantes qu'il est nécessaire de mettre au point de nouveaux algorithmes. C'est le cas pour l'industrie cinématographique qui doit pouvoir anticiper et planifier ses rendus sur des fermes d'ordinateurs sur souvent plus d'une année et en même temps en contrôler rigoureusement l'aspect financier. Nous allons présenter et analyser dans ce mémoire différentes techniques de simulation de milieux participatifs et proposer certaines directions pour de futurs travaux. / Nowadays, the use of photo-realistic computer images is very common, whether for film making, creating virtual environments, video games, or even for pre-visualizing architectural projects. The understanding and technological advances of the last 20 years allow us to be able to create very realistic images. Indeed, it is sometimes difficult, if not impossible, to distinguish between a photo of a real object and a virtual image. But to achieve such a high degree of realism, it is necessary to create complex and costly algorithms capable of simulating the physical laws governing interactions between light and matter. Participating media are a perfect example, as they are unavoidable and must be integrated during the creative processes, whether for simulating smoke or clouds, or for creating a credible atmosphere. Despite the overpowering performance of modern computers, it is still currently impossible to reproduce participating media perfectly, and in a reasonable time. Some visual effects, such as caustics or multiple scattering, are difficult to reproduce for some kinds of algorithms, so one is often limited to a simplification of the interactions. This is even more true for real-time applications that often require rendering at 30 frames per second. The quantity and the quality of the images to be calculated can also be so important that it is necessary to develop new algorithms. This is the case for the film industry, which must be able to anticipate and plan its renderings on computer farms, often over a year, and at the same time strictly control the financial aspect. We will present in this thesis various techniques of simulation of participating media, analyse them, and propose certain directions for future work.