3D Computer graphics is becoming an almost ubiquitous part of the world in which we live. being present in art. entertainment. advertising. CAD. training and education. scientific visualisation and with the growth of the internet. in e-commerce and communication. This thesis encompasses two areas of study: The design of algorithms for high quality. real-time 3D computer graphics rendering hardware and the methodology and means for achieving this. When investigating new algorithms and their implementation in hardware. it is important to have a thorough understanding of their operation. both individually and in the context of an entire architecture. It is helpful to be able to model different algorithmic variations rapidly and experiment with them interchangeably. This thesis begins with a description of software based modelling techniques for the rapid investigation of algorithms for 3D computer graphics within the context of a C++ prototyping environment. Recent tremendous increases in the rendering performance of graphics hardware have been shadowed by corresponding advancements in the accuracy of the algorithms accelerated. Significantly. these improvements have led to a decline in tolerance towards rendering artefacts. Algorithms for the effective and efficient implementation of high quality texture filtering and edge antialiasing form the focus of the algorithm research described in this thesis. Alternative algorithms for real-time texture filtering are presented in terms of their computational cost and performance. culminating in the design of a low cost implementation for higher quality anisotropic texture filtering. Algorithms for edge antialiasing are reviewed. with the emphasis placed upon area sampling solutions. A modified A-buffer algorithm is presented that uses novel techniques to provide: efficient fragment storage; support for multiple intersecting transparent surfaces; and improved filtering quality through an extendable and weighted filter support from a single highly optimised lookup table.

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.

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.