En informatique graphique, le rendu des matériaux occupe une place très importante dans la qualité de l’image finale. De nombreux modèles ont contribué à améliorer l’apparence des matériaux. Aujourd’hui, certains matériaux restent encore difficiles à représenter à cause de leur complexité. Parmi ceux ci,la famille des matériaux anisotropes reste peu étudiée et complexe. Dans cette thèse nous proposons une meilleure compréhension des matériaux anisotropes au travers d’un modèle pour les représenter ainsi qu’un outil permettant de mieux en contrôler l’apparence. Notre modèle de matériaux brossés ou rayés se base sur la simulation du transport lumineux au sein de la micro-géométrie d’une rayure pour restituer tous les détails en conservant des temps de rendus suffisamment courts pour rendre la scène de manière interactive.Notre outil d’édition des reflets anisotropes utilise le champ d’orientation des BRDF pour donner à l’utilisateur l’impression de dessiner ou de déformer des reflets directement sur l’objet. / In computer graphics, material appearance is a fundamental component of the final image quality. Many models have contributed to improve material appearance. Today, some materials remains hard to represent because of their complexity. Among them, anisotopic materials are especially complex and little studied. In this thesis, we propose a better comprehension of anisotropic materials providing a representation model and an editing tool to control their appearance. Our scratched material model is based on a light transport simulation in the micro-geometry of a scratch, preserves all the details and keeps an interactive rendering time. Our anisotropic reflections edition tool uses BRDF orientation fields to give the user the impression to draw or deform reflections directly on the surface.

Cette thèse traite de la modélisation, l'illumination et le rendu temps-réel de milieux participants à l'aide du GPU. Dans une première partie, nous commençons par développer une méthode de rendu de nappes de brouillard hétérogènes pour des scènes en extérieur. Le brouillard est modélisé horizontalement dans une base 2D de fonctions de Haar ou de fonctions B-Spline linéaires ou quadratiques, dont les coefficients peuvent être chargés depuis une textit{fogmap}, soit une carte de densité en niveaux de gris. Afin de donner au brouillard son épaisseur verticale, celui-ci est doté d'un coefficient d'atténuation en fonction de l'altitude, utilisé pour paramétrer la rapidité avec laquelle la densité diminue avec la distance au milieu selon l'axe Y. Afin de préparer le rendu temps-réel, nous appliquons une transformée en ondelettes sur la carte de densité du brouillard, afin d'en extraire une approximation grossière (base de fonctions B-Spline) et une série de couches de détails (bases d'ondelettes B-Spline), classés par fréquence.%Les détails sont ainsi classés selon leur fréquence et, additionnées, permettent de retrouver la carte de densité d'origine. Chacune de ces bases de fonctions 2D s'apparente à une grille de coefficients. Lors du rendu sur GPU, chacune de ces grilles est traversée pas à pas, case par case, depuis l'observateur jusqu'à la plus proche surface solide. Grâce à notre séparation des différentes fréquences de détails lors des pré-calculs, nous pouvons optimiser le rendu en ne visualisant que les détails les plus contributifs visuellement en avortant notre parcours de grille à une distance variable selon la fréquence. Nous présentons ensuite d'autres travaux concernant ce même type de brouillard : l'utilisation de la transformée en ondelettes pour représenter sa densité via une grille non-uniforme, la génération automatique de cartes de densité et son animation à base de fractales, et enfin un début d'illumination temps-réel du brouillard en simple diffusion. Dans une seconde partie, nous nous intéressons à la modélisation, l'illumination en simple diffusion et au rendu temps-réel de fumée (sans simulation physique) sur GPU. Notre méthode s'inspire des Light Propagation Volumes (volume de propagation de lumière), une technique à l'origine uniquement destinée à la propagation de la lumière indirecte de manière complètement diffuse, après un premier rebond sur la géométrie. Nous l'adaptons pour l'éclairage direct, et l'illumination des surfaces et milieux participants en simple diffusion. Le milieu est fourni sous forme d'un ensemble de bases radiales (blobs), puis est transformé en un ensemble de voxels, ainsi que les surfaces solides, de manière à disposer d'une représentation commune. Par analogie aux LPV, nous introduisons un Occlusion Propagation Volume, dont nous nous servons, pour calculer l'intégrale de la densité optique entre chaque source et chaque autre cellule contenant soit un voxel du milieu, soit un voxel issu d'une surface. Cette étape est intégrée à la boucle de rendu, ce qui permet d'animer le milieu participant ainsi que les sources de lumière sans contrainte particulière. Nous simulons tous types d'ombres : dues au milieu ou aux surfaces, projetées sur le milieu ou les surfaces

Les ombres sont un élément fondamental pour garantir le réalisme des images de synthèses. Elles donnent des informations nécessaires pour discerner correctement le positionnement relatif des objets. Le calcul d'ombre dures exactes en temps-réel reste toutefois un problème difficile en Informatique Graphique. Les Shadow Maps sont privilégiées pour leurs excellentes performances, mais elles ne peuvent garantir un résultat exact par pixel. Les volumes d'ombre sont plus lents que les Shadow Maps mais produisent des ombres exactes en toute circonstances. Bien qu'ils aient récemment atteint un haut niveau de performances, ils restent sensibles à la complexité géométrique et sont limités à des scènes de taille modeste. Dans cette thèse, nous proposons un nouvel algorithme de rendu d'ombres dures en temps réel basé sur les volumes d'ombre qui reste rapide sur des scènes de très grande tailles. De plus, nous introduisons une nouvelle stratégie de partitionnement jusque-là inexplorée en Informatique Graphique : les arbres métriques. / Shadows are a fundamental visual effect for computer generated images. They provide essential spatial hints allowing us to correctly perceive objects positions in the scene. Despite its importance, computing pixel accurate shadows in real-time is a challenging problem in Computer Graphics. Shadow Maps are still the favored solution due to their high efficiency, but they can't always provide pixel accurate results. Shadow Volumes are slower than Shadow Maps but always garantee pixel accurate shadows. While recent works significantly improved their performance, they remain sensitive to scalability, which limits their application scope. In this thesis, we propose a new algorithm based on Shadow Volumes that remains fast even on very large scenes. Furthermore, we introduce a new partitioning strategy that is yet unexplored in Computer Graphics : the metric tree.

La synthèse d'images, qui consiste à développer des algorithmes pour générer des images à l'aide d'un ordinateur, est devenue incontournable dans de nombreuses disciplines. Les méthodes d'affichage interactives permettent à l'utilisateur d'explorer des environnements virtuels en réalisant l'affichage des images à une cadence suffisamment élevée pour donner une impression de continuité et d'immersion. Malgré les progrès réalisés par le matériel, de nouveaux besoins supplantent toujours les capacités de traitement, et des techniques d'accélération sont nécessaires pour parvenir à maintenir une cadence d'affichage suffisante. Ce travail s'inscrit précisemment dans ce cadre. Il est consacré à la problématique de l'élimination efficace des objets masqués, en vue d'accélérer l'affichage de scènes complexes. Nous nous sommes plus particulièrement intéressé aux méthodes de précalcul, qui effectuent les calculs coûteux de visibilité durant une phase de prétraitement et les réutilisent lors de la phase de navigation interactive. Les méthodes permettant un précalcul complet et exact sont encore hors de portée à l'heure actuelle, c'est pourquoi des techniques approchées leur sont préférée en pratique. Nous proposons trois méthodes de ce type. La première, présentée dans le chapitre 4, est un algorithme permettant de déterminer de manière exacte si deux polygones convexes sont mutuellement visibles, lorsque des écrans sont placés entre eux. Nos contributions principales ont été de simplifier cette requête, tant du point de vue théorique que du point de vue de l'implémentation, ainsi que d'accélérer son temps moyen d'exécution à l'aide d'un ensemble de techniques d'optimisation. Il en résulte un algorithme considérablement plus simple à mettre en oeuvre que les algorithmes exacts existant dans la littérature. Nous montrons qu'il est également beaucoup plus efficace que ces derniers en termes de temps de calcul. La seconde méthode, présentée dans le chapitre 5, est une approche originale pour encoder l'information de visibilité, qui consiste à stocker l'ombre que générerait chaque objet de la scène s'il était remplacé par une source lumineuse. Nous présentons une analyse des avantages et des inconvénients de cette nouvelle représentation. Finalement, nous proposons dans le chapitre 6 une méthode de calcul de visibilité adaptée aux scènes d'intérieur. Dans ce type d'environnements, les graphes cellules-portails sont très répandus pour l'élimination des objets masqués, en raison de leur faible coût mémoire et de leur grande efficacité. Nous reformulons le problème de la génération de ces graphes en termes de segmentation d'images, et adaptons un algorithme classique, appelé «watershed», pour les obtenir de manière automatique. Nous montrons que la décomposition calculée de la sorte est proche de la décomposition classique, et qu'elle peut être utilisée pour l'élimination des objets masqués.

La représentation des surfaces du monde réel dans la mémoire d'une machine peut désormais être obtenue automatiquement via divers périphériques de capture tels que les scanners 3D. Ces nouvelles sources de données, précises et rapides, amplifient de plusieurs ordres de grandeur la résolution des surfaces 3D, apportant un niveau de précision élevé pour les applications nécessitant des modèles numériques de surfaces telles que la conception assistée par ordinateur, la simulation physique, la réalité virtuelle, l'imagerie médicale, l'architecture, l'étude archéologique, les effets spéciaux, l'animation ou bien encore les jeux video. Malheureusement, la richesse de la géométrie produite par ces méthodes induit une grande, voire gigantesque masse de données à traiter, nécessitant de nouvelles structures de données et de nouveaux algorithmes capables de passer à l'échelle d'objets pouvant atteindre le milliard d'échantillons. Dans cette thèse, je propose des solutions performantes en temps et en espace aux problèmes de la modélisation, du traitement géométrique, de l'édition intéractive et de la visualisation de ces surfaces 3D complexes. La méthodologie adoptée pendant l'élaboration transverse de ces nouveaux algorithmes est articulée autour de 4 éléments clés : une approche hiérarchique systématique, une réduction locale de la dimension des problèmes, un principe d'échantillonage-reconstruction et une indépendance à l'énumération explicite des relations topologiques aussi appelée approche basée-points. En pratique, ce manuscrit propose un certain nombre de contributions, parmi lesquelles : une nouvelle structure hiérarchique hybride de partitionnement, l'Arbre Volume-Surface (VS-Tree) ainsi que de nouveaux algorithmes de simplification et de reconstruction ; un système d'édition intéractive de grands objets ; un noyau temps-réel de synthèse géométrique par raffinement et une structure multi-résolution offrant un rendu efficace de grands objets. Ces structures, algorithmes et systèmes forment une chaîne capable de traiter les objets en provenance du pipeline d'acquisition, qu'ils soient représentés par des nuages de points ou des maillages, possiblement non 2-variétés. Les solutions obtenues ont été appliquées avec succès aux données issues des divers domaines d'application précités.

Cette thèse traite de la modélisation, l'illumination et le rendu temps-réel de milieux participants à l'aide du GPU. Dans une première partie, nous commençons par développer une méthode de rendu de nappes de brouillard hétérogènes pour des scènes en extérieur. Le brouillard est modélisé horizontalement dans une base 2D de fonctions de Haar ou de fonctions B-Spline linéaires ou quadratiques, dont les coefficients peuvent être chargés depuis une textit{fogmap}, soit une carte de densité en niveaux de gris. Afin de donner au brouillard son épaisseur verticale, celui-ci est doté d'un coefficient d'atténuation en fonction de l'altitude, utilisé pour paramétrer la rapidité avec laquelle la densité diminue avec la distance au milieu selon l'axe Y. Afin de préparer le rendu temps-réel, nous appliquons une transformée en ondelettes sur la carte de densité du brouillard, afin d'en extraire une approximation grossière (base de fonctions B-Spline) et une série de couches de détails (bases d'ondelettes B-Spline), classés par fréquence.%Les détails sont ainsi classés selon leur fréquence et, additionnées, permettent de retrouver la carte de densité d'origine. Chacune de ces bases de fonctions 2D s'apparente à une grille de coefficients. Lors du rendu sur GPU, chacune de ces grilles est traversée pas à pas, case par case, depuis l'observateur jusqu'à la plus proche surface solide. Grâce à notre séparation des différentes fréquences de détails lors des pré-calculs, nous pouvons optimiser le rendu en ne visualisant que les détails les plus contributifs visuellement en avortant notre parcours de grille à une distance variable selon la fréquence. Nous présentons ensuite d'autres travaux concernant ce même type de brouillard : l'utilisation de la transformée en ondelettes pour représenter sa densité via une grille non-uniforme, la génération automatique de cartes de densité et son animation à base de fractales, et enfin un début d'illumination temps-réel du brouillard en simple diffusion. Dans une seconde partie, nous nous intéressons à la modélisation, l'illumination en simple diffusion et au rendu temps-réel de fumée (sans simulation physique) sur GPU. Notre méthode s'inspire des Light Propagation Volumes (volume de propagation de lumière), une technique à l'origine uniquement destinée à la propagation de la lumière indirecte de manière complètement diffuse, après un premier rebond sur la géométrie. Nous l'adaptons pour l'éclairage direct, et l'illumination des surfaces et milieux participants en simple diffusion. Le milieu est fourni sous forme d'un ensemble de bases radiales (blobs), puis est transformé en un ensemble de voxels, ainsi que les surfaces solides, de manière à disposer d'une représentation commune. Par analogie aux LPV, nous introduisons un Occlusion Propagation Volume, dont nous nous servons, pour calculer l'intégrale de la densité optique entre chaque source et chaque autre cellule contenant soit un voxel du milieu, soit un voxel issu d'une surface. Cette étape est intégrée à la boucle de rendu, ce qui permet d'animer le milieu participant ainsi que les sources de lumière sans contrainte particulière. Nous simulons tous types d'ombres : dues au milieu ou aux surfaces, projetées sur le milieu ou les surfaces / This thesis deals with modeling, illuminating and rendering participating media in real-time using graphics hardware. In a first part, we begin by developing a method to render heterogeneous layers of fog for outdoor scenes. The medium is modeled horizontally using a 2D Haar or linear/quadratic B-Spline function basis, whose coefficients can be loaded from a fogmap, i.e. a grayscale density image. In order to give to the fog its vertical thickness, it is provided with a coefficient parameterizing the extinction of the density when the altitude to the fog increases. To prepare the rendering step, we apply a wavelet transform on the fog's density map, and extract a coarse approximation and a series of layers of details (B-Spline wavelet bases).These details are ordered according to their frequency and, when summed back together, can reconstitute the original density map. Each of these 2D function basis can be viewed as a grid of coefficients. At the rendering step on the GPU, each of these grids is traversed step by step, cell by cell, since the viewer's position to the nearest solid surface. Thanks to our separation of the different frequencies of details at the precomputations step, we can optimize the rendering by only visualizing details that contribute most to the final image and abort our grid traversal at a distance depending on the grid's frequency. We then present other works dealing with the same type of fog: the use of the wavelet transform to represent the fog's density in a non-uniform grid, the automatic generation of density maps and their animation based on Julia fractals, and finally a beginning of single-scattering illumination of the fog, where we are able to simulate shadows by the medium and the geometry. In a second time, we deal with modeling, illuminating and rendering full 3D single-scattering sampled media such as smoke (without physical simulation) on the GPU. Our method is inspired by light propagation volumes, a technique whose only purpose was, at the beginning, to propagate fully diffuse indirect lighting. We adapt it to direct lighting, and the illumination of both surfaces and participating media. The medium is provided under the form of a set of radial bases (blobs), and is then transformed into a set of voxels, together with solid surfaces, so that both entities can be manipulated more easily under a common form. By analogy to the LPV, we introduce an occlusion propagation volume, which we use to compute the integral of the optical density, between each source and each other cell containing a voxel either generated from the medium, or from a surface. This step is integrated into the rendering process, which allows to animate participating media and light sources without any further constraint

Au cours des deux dernières décennies, les applications temps réel ont montré des améliorations colossales dans la génération de rendus photoréalistes. Cela est principalement dû à la disponibilité de modèles 3D avec une quantité croissante de détails. L'approche traditionnelle pour représenter et visualiser des objets 3D hautement détaillés est de les décomposer en un maillage basse fréquence et une carte de déplacement encodant les détails. La tessellation matérielle est le support idéal pour implémenter un rendu efficace de cette représentation. Dans ce contexte, nous proposons une méthode générale pour la génération et le rendu de maillages multi-résolutions compatibles avec la tessellation matérielle. Tout d'abord, nous introduisons une métrique dépendant de la vue capturant à la fois les distorsions géométriques et paramétriques, permettant de sélectionner la le niveau de résolution approprié au moment du rendu. Deuxièmement, nous présentons une nouvelle représentation hiérarchique permettant d'une part des transitions temporelles et spatiales continues entre les niveaux et d'autre part une tessellation matérielle non uniforme. Enfin, nous élaborons un processus de simplification pour générer notre représentation hiérarchique tout en minimisant notre métrique d'erreur. Notre méthode conduit à d'énormes améliorations tant en termes du nombre de triangles affiché qu'en temps de rendu par rapport aux méthodes alternatives. / In the last two decades, real-time applications have exhibited colossal improvements in the generation of photo-realistic images. This is mainly due to the availability of 3D models with an increasing amount of details. Currently, the traditional approach to represent and visualize highly detailed 3D objects is to decompose them into a low-frequency mesh and a displacement map encoding the details. The hardware tessellation is the ideal support to implement an efficient rendering of this representation. In this context, we propose a general framework for the generation and the rendering of multi-resolution feature-aware meshes compatible with hardware tessellation. First, we introduce a view-dependent metric capturing both geometric and parametric distortions, allowing to select the appropriate resolution at rendertime. Second, we present a novel hierarchical representation enabling on the one hand smooth temporal and spatial transitions between levels and on the other hand a non-uniform hardware tessellation. Last, we devise a simplification process to generate our hierarchical representation while minimizing our error metric. Our framework leads to huge improvements both in terms of triangle count and rendering time in comparison to alternative methods.

On retrouve dans la nature un nombre impressionnant de matériaux semi-transparents tels le marbre, le jade ou la peau, ainsi que plusieurs liquides comme le lait ou les jus. Que ce soit pour le domaine cinématographique ou le divertissement interactif, l'intérêt d'obtenir une image de synthèse de ce type de matériau demeure toujours très important. Bien que plusieurs méthodes arrivent à simuler la diffusion de la lumière de manière convaincante a l'intérieur de matériaux semi-transparents, peu d'entre elles y arrivent de manière interactive. Ce mémoire présente une nouvelle méthode de diffusion de la lumière à l'intérieur d'objets semi-transparents hétérogènes en temps réel. Le coeur de la méthode repose sur une discrétisation du modèle géométrique sous forme de voxels, ceux-ci étant utilisés comme simplification du domaine de diffusion. Notre technique repose sur la résolution de l'équation de diffusion à l'aide de méthodes itératives permettant d'obtenir une simulation rapide et efficace. Notre méthode se démarque principalement par son exécution complètement dynamique ne nécessitant aucun pré-calcul et permettant une déformation complète de la géométrie. / We find in nature several semi-transparent materials such as marble, jade or skin, as well as liquids such as milk or juices. Whether it be for digital movies or video games, having an efficient method to render these materials is an important goal. Although a large body of previous academic work exists in this area, few of these works provide an interactive solution. This thesis presents a new method for simulating light scattering inside heterogeneous semi-transparent materials in real time. The core of our technique relies on a geometric mesh voxelization to simplify the diffusion domain. The diffusion process solves the diffusion equation in order to achieve a fast and efficient simulation. Our method differs mainly from previous approaches by its completely dynamic execution requiring no pre-computations and hence allowing complete deformations of the geometric mesh.

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Cette thèse, située dans le cadre de la synthèse d'images de paysages, est consacrée à des représentations d'arbres adaptées soit au rendu de haute-qualité, soit au rendu temps réel. Les techniques de modélisation d'arbres donnent à ce jour de bons résultats en termes de diversité d'espèces et de formes représentables. Cependant, leur représentation géométrique nécessite une multitude de polygones représentant des détails fins, source d'un coût de calcul important et de gros problèmes d'aliassage lors du rendu de l'image. Pourtant, la construction de niveaux de détails par simplification de maillage ne peut s'appliquer à un arbre sans en modifier l'opacité et l'illumination globale, à cause du caractère disparate et non continu du feuillage. En suivant l'idée de représenter un ensemble de primitives (feuilles ou branches) par paquet intégrant les aspects géométriques et photométriques, nous avons conçu deux nouvelles représentations. La première, destinée au rendu haute-qualité, est basée sur le calcul analytique du modèle d'illumination global d'une géométrie représentant un rameau d'aiguilles de conifère. En nous servant des connaissances a priori concernant la distribution géométrique des aiguilles, nous avons mis au point une hiérarchie de trois shaders capables de représenter à une échelle donnée les effets cumulés des niveaux plus fins, sans avoir à les échantillonner, et en tenant compte de l'auto-ombrage et de la visibilité. Le caractère analytique de ces shaders permet à la fois d'accélérer considérablement les temps de calcul et d'obtenir des images de qualité, en particulier avec très peu d'aliassage. La deuxième, destinée au rendu temps réel, se compose d'une hiérarchie d'images correspondant à l'échantillonnage des directions de vue et de lumière, que nous affichons à l'aide de billboards en interpolant les images. Nous y associons une structure de visibilité pré-calculée, basée sur des cubes de visibilité, pour traiter l'auto-ombrage et l'ombrage en temps interactif. Notre implémentation permet l'affichage interactif d'une forêt de 1000 arbres avec illumination, auto-ombrage, ombrage, et avec possibilité de déplacer interactivement la source de lumière