Reproduire efficacement l'apparence réaliste des matériaux est un problème crucial pour la synthèse d'images réalistes dans les productions cinématographiques et les jeux vidéo. Outre le transport global de la lumière, le réalisme d'une image de synthèse passe avant tout par une modélisation correcte du transport local, c'est-à-dire les interactions entre lumière et matière. La modélisation de ces interactions donne lieu à une grande variété de modèles de réflectance. Nous proposons une classification de ces modèles en s'appuyant sur l'échelle des détails géométriques abstraits. À partir de cette classification, nous étudions des modèles de réflectance particuliers : * un modèle de transmission pour les surfaces transparentes et rugueuses, tels que le verre dépoli. Son efficacité permet une utilisation au sein applications temps-réel * une analyse et une modélisation du transport de la lumière dans les matériaux composés d'agrégats de particules * une base alternative aux harmoniques sphériques pour représenter et illuminer efficacement les matériaux mesurés ayant une réflectance à basses fréquences. Ces modèles permettent une abstraction efficace des interactions locales tout en conservant la reproduction de leurs effets réalistes. / Reproducing efficiently the appearance of complex materials is a crucial problem in the synthesis of realistic images widely involved in the production of video games and movies. Apart from global light transport, the realism of a synthetic image is in large part due to the adequate modeling of local light transport, i.e. the interactions between light and matter. Modeling these interactions gives rise to a large variety of reflectance models. We therefore propose a classification of these models based on the scales of their abstract geometric details. From this classification, we can study particular reflectance models: a transmitting reflectance model for transparent rough surfaces such a frosted glass. The efficiency of our model allows real-time performances, a study and a model of energy propagation in material composed of dense packed discrete particles, an alternative basis for representing and lighting efficiently measured materials having a low frequency reflectance. These models permit the abstraction of local interactions while keeping the realism of fully simulated local light transport models.

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.

Les images de synthèse sont désormais omniprésentes dans les domaines de création artistique, en particulier celui du cinéma. Dans ce cadre, un infographiste modélise une scène virtuelle, qui est ensuite rendue par un algorithme spécialisé, appelé moteur de rendu, pour produire une image résultat, le rendu. La description de la scène et l'algorithme de rendu reposent tous deux sur des modèles physiques afin d'assurer un résultat réaliste. Cependant, l'infographiste ne recherche pas seulement un résultat réaliste mais aussi un objectif artistique, relatif à l'oeuvre concernée. Cet objectif artistique peut être en opposition avec le réalisme physique du rendu, de la même manière qu'en peinture, des techniques comme le clair-obscur ne correspondent pas à une réalité physique mais répondent à un objectif artistique précis. Dans cette thèse, nous commençons par définir la problèmatique de contrôle artistique du rendu en synthèse d'images et établissons trois critères d'évaluation des méthodes d'édition du rendu. Nous proposons une taxonomie caractérisant les différents paradigmes d'approches permettant de contrôler le rendu. Dans nos travaux, nous nous intéressons aux approches comportementales permettant de répondre équitabement à tous les critères d'évaluation retenus. Ces méthodes agissent sur le comportement du transport lumineux. Suivant cette approche, nous proposons un formalisme théorique d'édition du rendu par téléportation du transport lumineux, que nous intégrons aux équations de radiométrie, bases des algorithmes de rendu. Nous proposons ensuite une implémentation pratique, appelée portails, dans laquelle le contrôle du transport se fait à l'aide d'un couple de surfaces, entrée et sortie, représentant la téléportation dans l'espace 3D du transport lumineux. Nous intégrons les portails à différents moteurs courants, et analysons les résultats obtenus, à la fois nouveaux et en comparaison des travaux précèdents. Finalement, nous proposons une analyse préliminaire de la structure de l'espace des chemins et faisons un tour d'horizon des travaux futurs. / Nowadays, computer-generated imagery (CGI) is a standard in digital content creation, as in the context of film production. Visual artists design a model of the virtual scene. The renderer, a specific software, then produces the resulting image, called rendering. Both the 3D model and the renderer rely on physical laws in order to give photorealism. However, for artistic purposes, the visual artist does not necessarily seeks photorealism but is more inclined to care about artistic goals, mostly based on the related work of art. These artistic goals may be in opposition to physically-based rendering, in a similar way to techniques such as chiaroscuro in painting which do not yield a photorealistic result but rather aim at a precise artistic goal. In this PhD thesis, we first define the question of artistic control in rendering and specify three criteria to evaluate editing techniques. We propose a taxonomy to characterise the suitable paradigms to edit rendering. In our work, we focus on behavioural approaches, which properly suit all the evaluation criteria we defined. These methods act on the behaviour of light transport. Following this approach, we propose a theoretical formalism to edit rendering through the teleportation of light transport. We integrate this formalism in the underlying concept of rendering techniques, the rendering equation. We propose a practical tool we call \emph{RayPortals}. Using RayPortals, the rendering is edited using a pair of surfaces, input and output, defining the teleportation in 3D space of ligth transport. We integrate RayPortals in usual rendering techniques. We compare to previous work and also show some novel results. Ultimately, we propose a preliminary analysis of the path-space structure and summarize the future works.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'animation et le rendu sont deux domaines de recherche importants dans l'informatique graphique. L'occlusion ambiante (OA) est un moyen très répandu pour simuler l'éclairage indirect. Nous présentons une approche rapide et facile à mettre en œuvre pour l'approximation de l'occlusion ambiante de l'espace d'affichage. On calcule l'OA pour chaque pixel en intégrant les valeurs angulaires des échantillonneurs autour de la position du pixel qui pourrait bloquer l'éclairage ambiant. Nous appliquons une méthode séparable afin de réduire la complexité du calcul. La simulation des rides expressives du visage peut être estimée sans changer l'information géométrique. Nous avons construit un modèle de rides en utilisant une technique graphique qui effectue des calculs seulement dans l'espace d'affichage. Les animations faciales sont beaucoup plus réalistes avec la présence des rides. Nous présentons une méthode de cinématique inverse rapide et facile à mettre en œuvre qui s'appuie sur un modèle masse-ressort et qui repose sur les interactions de forces entre les masses. Les interactions de forces entre les masses peuvent être vues comme un problème de minimisation de l'énergie. Elle offre une très bonne qualité visuelle en haute performance de vitesse. En se basant sur notre méthode d'IK, nous proposons un modèle de synthèse des gestes corporels expressifs intégrés dans notre plateforme d'agents conversationnels. Nous appliquons l'animation de tout le corps enrichi par l'aspect expressif. Ce système offre plus de flexibilité pour configurer la cinématique expressive directe ou indirecte. De façon globale, cette thèse présente notre travail sur le rendu et l'animation en 3D. / Animation and rendering are both important research domains in computer graphics. We present a fast easy-to-implement separable approximation to screen space ambient occlusion.We evaluate AO for each pixel by integrating angular values of samplers around the pixel position which potentially block the ambient lighting.We apply a separable fashion to reduce the complexity of the evaluation. Wrinkle simulation can also be approximated without changing geometry information.We built a wrinkles model by using a modern graphics technique which performs computations only in screen space.With the help of wrinkles, the facial animation can be more realistic. Several factors have been proved, and wrinkles can help to recognize action units with a higher rate. Inverse kinematics (IK) can be used to find the hierarchical posture solutions. We present a fast and easy-to-implement locally physics-based IK method. Our method builds upon a mass-spring model and relies on force interactions between masses. Our method offers convincing visual quality results obtained with high time performance. Base on our IK method, we propose our expressive body-gestures animation synthesis model for our Embodied Conversational Agent (ECA) technology. Our implementation builds upon a full body reach model using a hybrid kinematics solution. Generated animations can be enhanced with expressive qualities.This system offers more flexibility to configure expressive Forward and Inverse Kinematics (FK and IK). It can be extended to other articulated figures. Overall, this thesis presents our work in 3D rendering and animation. Several new approaches have been proposed to improve both the quality and the speed.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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.

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.

Cette thèse se place dans le cadre de la synthèse d'images en temps réel. Le problème auquel elle s'attaque est celui du rendu efficace du détail visuel, principal élément du réalisme d'une image. Pour faire face à la complexité du détail visuel, il est nécessaire de disposer de représentations adaptées à la fois aux objets que l'on cherche à rendre ainsi qu'aux capacités des processeurs graphiques actuels. Le premier axe de recherche porte sur l'utilisation du relief pour représenter et rendre efficacement du détail géométrique. La représentation compacte et structurée du relief par une carte hauteur permet la conception d'algorithmes de rendu exacts et efficaces. Nous en proposons deux~: le premier permet de rendre des reliefs dynamiques, alors que le second s'adresse aux reliefs statiques en exploitant la possibilité d'effectuer un pré-traitement sur la carte de hauteur. Nous développons aussi une réflexion sur l'utilisation du relief pour la représentation de surfaces quelconques, et présentons une application au rendu réaliste et en temps réel de volumes d'eau. Le deuxième axe de recherche se concentre sur les représentations non surfaciques, nécessaires lorsque les représentations géométriques sont inadaptées voire inexistantes. C'est le cas notamment des objets lointains ou des objets à géométrie dense, comme par exemple le feuillage d'un arbre. Le problème ici est d'être capable de représenter l'apparence d'un objet, sans recourir à un modèle géométrique. Nous proposons une méthode permettant, à partir de la seule donnée du light-field d'un objet, de déterminer les paramètres optimaux d'une représentation adaptée pour le rendu.

Le travail présenté dans ce mémoire a pour cadre le dispositif de réalité mixte ray-on, conçu par la société on-situ. Ce dispositif, dédié à la mise en valeur du patrimoine architectural et en particulier d'édifices historiques, est installé sur le lieu de l'édifice et propose à l'utilisateur une vision uchronique de celui-ci. Le parti pris étant celui du photo-réalisme, deux pistes ont été suivies : l'amélioration du mélange réel virtuel par la reproduction de l'éclairage réel sur les objets virtuels, et la mise en place d'une méthode de segmentation d'image résiliente aux changements lumineux.Pour la reproduction de l'éclairage, une méthode de rendu basé-image est utilisée et associée à une capture haute dynamique de l'environnement lumineux. Une attention particulière est portée pour que ces deux phases soient justes photométriquement et colorimétriquement. Pour évaluer la qualité de la chaîne de reproduction de l'éclairage, une scène test constituée d'une mire de couleur calibrée est mise en place, et capturée sous de multiples éclairages par un couple de caméra, l'une capturant une image de la mire, l'autre une image de l'environnement lumineux. L'image réelle est alors comparée au rendu virtuel de la même scène, éclairée par cette seconde image.La segmentation résiliente aux changements lumineux a été développée à partir d'une classe d'algorithmes de segmentation globale de l'image, considérant celle-ci comme un graphe où trouver la coupe minimale séparant l'arrière plan et l'avant plan. L'intervention manuelle nécessaire à ces algorithmes a été remplacée par une pré-segmentation de moindre qualité à partir d'une carte de profondeur, cette pré-segmentation étant alors utilisée comme une graîne pour la segmentation finale.