L'émergence des périphériques de capture numériques ont permis le dé- veloppement de l'acquisition 3D pour numériser les propriétés d'un objet réel : sa forme et son apparence. Ce processus fournit une représentation dense et précise d'objets réels et permet de s'abstraire d'un processus de simulation physique coûteux pour modéliser un objet. Ainsi, les problématiques ont évolué et portent non plus uniquement sur la modélisation des caractéristiques d'un objet réel mais sur les traitements de données issues de l'acquisition pour intégrer une copie de la réalité dans un processus de synthèse d'images. Dans ces travaux de thèse, nous proposons de nouvelles représentations pour des fonctions d'apparence issues de l'acquisition dont le but est de dénir un ensemble de modèles multi-échelles, de faible complexité en taille, capable d'être visualisé en temps réel sur le matériel graphique actuel.

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.

De nos jours, les images de synthèse occupent une place de plus en plus importante dans des domaines aussi variés que l'ingénierie ou le divertissement. Le matériel informatique a énormément évolué ces dernières années afin de pouvoir suivre cette tendance. Cependant, le matériel ne peut satisfaire seul aux exigences, en terme de qualité et d'interactivité, que requièrent les nouvelles applications. D'où l'intérêt d'algorithmes permettant d'optimiser le temps d'exécution et l'occupation mémoire de telles applications, et notamment celles qui nécessitent une interactivité avec l'utilisateur. Le placage de déplacement tridimensionnel par pixel est une nouvelle technique qui permet d'enrichir visuellement les scènes 3D, en simulant les mesostructures (microreliefs) présentes sur de nombreux types de surface. Cette amélioration s'effectue sans modification de la définition géométrique des objets 3D, et s'appuie uniquement sur le placage de textures dédiées à cet effet. Cette technique contribue ainsi à éviter la saturation du pipeline graphique que peut provoquer le traitement d'un très grand nombre de primitives graphiques. Dans le même esprit, la technique de modélisation et rendu à base d'images, qui est une extension du placage de déplacement 3D par pixel, permet de créer et d'afficher des objets 3D dans leur intégralité, sans passer par le traditionnel maillage polygonal. Au cours de ce travail, nous nous sommes intéressés à l'une des meilleures techniques pour le placage de déplacement 3D par pixel. Il s'agit de la technique de traçage de cônes, dont nous avons pu faire passer les algorithmes de prétraitement des textures d'une complexité quadratique à une complexité linéaire. Nous avons également proposé un nouvel algorithme permettant la prise en charge des textures rectangulaires, car elles étaient très mal gérées par les méthodes existantes. Nous avons aussi développé une nouvelle approche qui rend possible la synchronisation temps réel entre la modification de l'échelle du microrelief et son ombrage. Cette thèse introduit notamment le placage d'extrusion et de révolution. Il s'agit d'une nouvelle technique de modélisation et rendu à base d'images. L'approche que nous avons adoptée permet de créer des géométries sans maillage, par extrusion ou par révolution d'une forme de base, stockée sous forme d'une image 2D binaire. Ce type de géométrie est très utilisé en modélisation 3D, et particulièrement dans la création d'environnements architecturaux. La technique proposée est très performante, que ce soit en terme d'interactivité, ou en terme de qualité visuelle.

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. <p><p>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.<p><p>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.<p><p><p>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. <p><p>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.<p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The emergence of digital capture devices have enabled the developmentof 3D acquisition to scan the properties of a real object : its shape and itsappearance. This process provides a dense and accurate representation of realobjects and allows to avoid the costly process of physical simulation to modelan object. Thus, the issues have evolved and are no longer focus on modelingthe characteristics of a real object only but on the treatment of data fromacquisition to integrate a copy of reality in a process of image synthesis. In this thesis, we propose new representations for appearance functions from the acquisition with the aim of defining a set of multicale models of low complexity in size working in real time on the today's graphics hardware / L'émergence des périphériques de capture numériques ont permis le développement de l'acquisition 3D pour numériser les propriétés d'un objet réel : sa forme et son apparence. Ce processus fournit une représentation dense et précise d'objets réels et permet de s'abstraire d'un processus des imulation physique coûteux pour modéliser un objet. Ainsi, les problématiquesont évolué et portent non plus uniquement sur la modélisation descaractéristiques d'un objet réel mais sur les traitements de données issues de l'acquisition pour intégrer une copie de la réalité dans un processus de synthèse d'images. Dans ces travaux de thèse, nous proposons de nouvelles représentations pour les fonctions d'apparence issues de l'acquisition dont le but est de définir un ensemble de modèles multi-échelles, de faible complexité en taille, capable d'e^tre visualisé en temps réel sur le matériel graphique actuel.

L'imagerie moderne générée par ordinateur cherche constamment à être de plus en plus représentative de la réalité physique tout autour de nous, et un de ces phénomènes clés est la notion d'effets de distribution. Les effets de distribution sont une catégorie de comportements du transport de la lumière caractérisés par leur nature distribuée selon une ou plusieurs dimension(s) donnée(s). Par exemple, le flou de mouvement est un effet de distribution dans le temps, alors que la profondeur de champ introduit le diaphragme de la caméra, ajoutant ainsi deux dimensions. Ces effets sont communs dans les films et la réalité, les rendant donc désirables à reproduire. Dans cette thèse par articles, nous présentons quatre articles qui utilisent, étendent ou s'inspirent des effets de distribution. Premièrement, nous proposons une technique novatrice pour faire le rendu de flou de mouvement non-linéaire pour des applications en temps réel tout en conservant des caractéristiques clés d'efficacité et de mise à l'échelle. Nous tirons avantage des courbes de Bézier pour concevoir une approximation de mouvement non-linéaire depuis seulement quelques images clés et rastérisons une géométrie synthétisée pour reproduire le mouvement. Deuxièmement, nous présentons un algorithme qui fait le rendu de matériaux scintillants à haute fréquence illuminés par de grandes cartes environnementales. En utilisant une combinaison d'un système d'histogrammes de mi-vecteurs compact et des harmoniques sphériques multi échelle, nous pouvons efficacement représenter des normales de surface denses et rendre leurs interactions avec des sources de lumière filtrées de grandes dimensions. Troisièmement, nous introduisons une nouvelle méthode pour faire le rendu de dispersion sous la surface en tirant avantage de l'analyse fréquentielle et du parcours d'un arbre dual. En calculant le transport de la lumière sous la surface en espace image, nous pouvons rapidement analyser la fréquence du signal et déterminer des bandes passantes efficaces que nous pouvons alors utiliser pour limiter notre traversée dans un arbre dual d'ombrage et d'illumination. Finalement, nous démontrons un algorithme novateur d'illumination globale diffuse en temps réel qui utilise des sondes d'irradiance dynamiques. Grâce à des mises à jour efficaces de distribution de radiance, nous pouvons mettre à jour des sondes d'irradiance pendant l'exécution, prenant en compte les objets dynamiques et une illumination changeante, et nous le combinons avec une requête d'irradiance filtrée plus robuste, rendant une grille de sondes d'irradiance dense traitable en temps réel avec des artefacts minimes. / Modern computer generated imagery strives to be ever more faithful to the physical reality around us, and one such key physical phenomenon is the notion of distribution effects. Distribution effects are a category of light transport behaviors characterized by their distributed nature across some given dimension(s). For instance, motion blur is a distribution effect across time, while depth of field introduces a physical aperture for the camera, thus adding two more dimensions. These effects are commonplace in film and real life, thus making them desirable to reproduce. In this manuscript-based thesis, we present four papers which leverage, extend or inspire themselves from distribution effects. First, we propose a novel technique to render non-linear motion blur for real-time applications while conserving important scalability and efficiency characteristics. We leverage Bézier curves to approximate non-linear motion from just a few keyframes and rasterize synthesized geometry to replicate motion. Second, we present an algorithm to render glinty high-frequency materials illuminated by large environment maps. Using a combination of a compact half-vector histogram scheme and multiscale spherical harmonics, we can efficiently represent dense surface normals and render their interaction with large, filtered light sources. Third, we introduce a new method for rendering subsurface scattering by taking advantage of frequency analysis and dual-tree traversal. Computing screen-space subsurface light transport, we can quickly analyze signal frequency and determine efficient bandwidths which we then use to limit our traversal through a shading/illumination dual-tree. Finally, we show a novel real-time diffuse global illumination scheme using dynamically updated irradiance probes. Thanks to efficient spherical radiance distribution updates, we can update irradiance probes at runtime, taking into consideration dynamic objects and changing lighting, and combine it with a more robust filtered irradiance query, making dense irradiance probe grids tractable in real-time with minimal artifacts.

Le nuage de points 3D est la donnée obtenue par la majorité des méthodes de numérisation surfacique actuelles. Nous nous intéressons ainsi dans cette thèse à l'utilisation de nuages de points comme unique représentation explicite de surface. Cette thèse présente deux contributions en traitements basés points. La première contribution proposée est une nouvelle méthode de rendu de nuages de points bruts et massifs par opérateurs pyramidaux en espace image. Cette nouvelle méthode s'applique aussi bien à des nuages de points d'objets scannés, que de scènes complexes. La succession d'opérateurs en espace image permet alors de reconstruire en temps réel une surface et d'en estimer des normales, ce qui permet par la suite d'en obtenir un rendu par ombrage. De plus, l'utilisation d'opérateurs pyramidaux en espace image permet d'atteindre des fréquences d'affichage plus élevées d'un ordre de grandeur que l'état de l'art .La deuxième contribution présentée est une nouvelle méthode de simulation numérique en mécanique des fluides en volumes immergés par reconstruction implicite étendue. La méthode proposée se base sur une nouvelle définition de surface implicite par moindres carrés glissants étendue à partir d'un nuage de points. Cette surface est alors utilisée pour définir les conditions aux limites d'un solveur Navier-Stokes par éléments finis en volumes immergés, qui est utilisé pour simuler un écoulement fluide autour de l'objet représenté par le nuage de points. Le solveur est interfacé à un mailleur adaptatif anisotrope qui permet de capturer simultanément la géométrie du nuage de points et l'écoulement à chaque pas de temps de la simulation. / Most surface 3D scanning techniques produce 3D point clouds. This thesis tackles the problem of using points as only explicit surface representation. It presents two contributions in point-based processing. The first contribution is a new raw and massive point cloud screen-space rendering algorithm. This new method can be applied to a wide variety of data from small objects to complex scenes. A sequence of screen-space pyramidal operators is used to reconstruct in real-time a surface and estimate its normals, which are later used to perform deferred shading. In addition, the use of pyramidal operators allows to achieve framerate one order of magnitude higher than state of the art methods. The second proposed contribution is a new immersed boundary computational fluid dynamics method by extended implicit surface reconstruction. The proposed method is based on a new implicit surface definition from a point cloud by extended moving least squares. This surface is then used to define the boundary conditions of a finite-elements immersed boundary transient Navier-Stokes solver, which is used to compute flows around the object sampled by the point cloud. The solver is interfaced with an anisotropic and adaptive meshing algorithm which refines the computational grid around both the geometry defined by point cloud and the flow at each timestep of the simulation.