Le tracé de rayons est désormais un algorithme classique pour la visualisation en synthèse d'images. Nous nous sommes cependant efforcés de ne pas le considérer comme un simple algorithme de visualisation mais comme un algorithme plus général de simulation de transfert d'énergie au sein d'un environnement géométrique. Ce choix a conduit à la définition d'un modèle géométrique indépendant du modèle de rendu qui lui est associé. Ce modèle utilise une méthode par arbre de construction (CSG) avec deux améliorations essentielles: l'utilisation d'un graphe au lieu d'un arbre ainsi que la possibilité d'associer des propriétés à n'importe quel objet du modèle. L'algorithme de calcul d'intersection entre un rayon et un objet est spécialement adapte à ce modèle, et il utilise une technique d'accélération nouvelle, basée sur l'utilisation d'englobant appelés boites englobantes généralisées, palliant certains inconvénients des techniques classiques. L'algorithme de rendu a été rendu générique, ce qui permet de changer facilement d'implémentation de l'algorithme de rendu. Les modèles classiques (Lambert et Phong) sont présentés en détail. Enfin, nous présentons trois applications de notre environnement: l'utilisation de nouveaux systèmes de perspectives, la visualisation de densités volumiques et de primitives de lumière, ainsi qu'une version parallèle de notre algorithme.

De nombreuses perspectives ont été et sont utilisées dans le monde de la représentation. Choisir l'une d'elle reflète une certaine façon de percevoir le monde. Le réalisme du point vue unique et fixe, semble ne répondre qu'à une convention culturelle. En effet, lorsqu'on regarde quelque chose, le regard balaye la scène avec deux yeux. Nous avons donc deux points de vue mobiles. Dans l'abstraction représentationnelle occidentale, le spectateur, en tant que corps, est réduit à un oeil, lui même compressé en un point. Le questionnement sur le réalisme de l'image s'impose. L'image dite réaliste renvoie-t-elle à une réalité, en tant que telle, existant dans le monde de façon absolue et directement accessible à l'exclusion de tout code transcriptif, ou à un concept culturellement acquis comme réaliste et qui ne renvoie qu'à lui-même? Le travail de cette thèse consiste à introduire dans la synthèse d'images différents systèmes de représentation, dont le "réalisme" de chacun, d'un point de vue intellectuel, est aussi légitime que le "réalisme" photographique. Cette recherche ne s'inscrit pas dans le cadre d'une recherche scientifique, dont l'objectif serait de construire des modèles dont les règles de fonctionnement correspondraient à des lois absolues de la nature. Nous nous trouvons en présence de modèles issus des seules sciences humaines et d'interprétations sensorielles. L'objectif de ce travail se résume donc à extraire les concepts qui régissent chaque style de représentation. En essayant de rester fidèle à ces concepts de base, nous définissons des fonctions de projection, et dans le cadre de nos résultats nous ne conservons que les images dont l'esthétique nous semble radicalement nouvelle. L'enjeu n'est donc pas de faire de la perspectiva naturalis de façon radicale et ressemblante, ni de systématiser les principes du Cubisme pour réaliser un modeleur cubiste, mais, à partir de différentes idées sur le "réalisme", de créer de nouvelles images, propres à surprendre dans leur organisation formelle. Ce travail théorique sera complété par un développement plastique comprenant une exploitation picturale et vidéo de ces modèles de projection.

Le tracé de rayons est la seule technique de synthèse d'images permettant le réalisation d'effets lumineux spéculaires. Cet algorithme est très coûteux en temps de calcul. Nous nous intéressons aux diverses méthodes d'optimisation du tracé de rayons basées sur la subdivision de l'espace. Nous proposons une structure de subdivision originale : les macro-régions. Cette structure utilise un grid dans lequel les éléments de grid appartenant à des zones à faible densité d'information sont regroupées en macro-régions. Nous présentons ensuite une étude théorique et pratique du coût de dif- férentes méthodes de subdivision de l'espace : grid, octree, boîtes englobantes et la structure de macro-régions. Le coût moyen d'un rayon est étudié d'un point de vue pratique d'après les résultats d'une implantation de l'algorithme, et théorique en utilisant des résultats de géométrie stochastique. Ce coût est divisé en deux parties, on calculera tout d'abord le nombre moyen d'objets rencontrés par un rayon, puis le nombre moyen de régions rencontrées par un rayon dans les différents cas de subdivision. Cette étude fournit un certain nombre de résultats généraux permettant de mener à bien les mêmes calculs pour d'autres structures. Les résultats exposés établissent l'efficacité de la subdivision par macro- régions.

Sur la route, le brouillard est relativement rare, mais particulièrement meurtrier. Pour améliorer la sécurité des usagers, les solutions passent d'abord par la prévention, la prévision et la détection, mais également par la signalisation, l'éclairage et l'aide à la conduite. Toutefois, la conception de solutions adaptées, susceptibles de compenser la perte de visibilité induite par le brouillard, repose sur la compréhension du phénomène. De plus, l'évaluation de ces solutions en termes de comportement de conduite passe nécessairement par la simulation, étant donnée la quasi-impossibilité des expérimentations en brouillard réel. L'objet de cette étude est de décrire les dégradations induites par le brouillard dans l'environnement visuel du conducteur, en vue de les modéliser et de les reproduire sur simulateur de conduite.<br />Dans la première partie, essentiellement bibliographique, on commence par constater la contradiction entre la complexité et la diversité des propriétés microphysiques et optiques du brouillard d'une part, et l'utilisation courante de la notion de “ distance de visibilité ” pour en décrire les effets perceptifs d'autre part. On montre ensuite que la caractérisation des effets visuels du brouillard passe par une analyse fréquentielle des perturbations induites par la diffusion de la lumière dans la distribution de luminance formant le signal visuel. En vue de maîtriser le recueil des images indispensables à cette analyse, on choisit de faire appel à la synthèse d'images en privilégiant la méthode du tracé de rayons.<br />Dans la deuxième partie, on commence par décrire la technique de tracé de photons de type Monte-Carlo développée pour simuler la diffusion multiple et anisotrope de la lumière au sein d'un milieu polydispersé tel que le brouillard. Le code ainsi mis au point est ensuite mis en œuvre afin d'étudier les propriétés de la fonction de transfert de modulation d'une couche de brouillard, assimilée à un filtre optique, ce qui nous conduit à définir un opérateur fréquentiel de contraste pour caractériser le halo généré autour du signal transmis par l'énergie lumineuse diffusée. En se basant sur la loi de Koschmieder, on propose finalement un modèle étendu des effets visuels du brouillard – extinction, halo et voiles (atmosphérique et rétro-diffusé) – permettant de prédire les dégradations engendrées par le brouillard dans l'environnement visuel de l'usager de la route en toutes conditions de circulation. On montre également que le modèle proposé est compatible avec une mise en œuvre interactive sur simulateur de conduite.<br />Le modèle photométrique des effets visuels du brouillard issu de ce travail a dores et déjà fait l'objet d'une validation expérimentale, en collaboration avec des psychologues de la conduite. Il a également été utilisé pour améliorer les outils de simulation de conduite dans le brouillard, en collaboration avec une société spécialisée dans la simulation temps-réel. Il est prévu de mettre en œuvre ces outils pour étudier les performances de l'infrastructure routière en termes de visibilité et de lisibilité par temps de brouillard.

Dans l'infrarouge thermique, des simulateurs de systèmes d'acquisition d'images existent déjà chez les industriels. Leur fonctionnement nécessite la connaissance de nombreux paramètres, dont celle du paysage à observer. Or, ce paysage doit lui-même être simulé. Du fait de la complexité de son comportement, peu de simulateurs de paysages ont été développés. Cette thèse tente de pallier à ce manque, en proposant une méthode de simulation adaptée à l'imagerie à haute résolution spatiale dans l'infrarouge thermique. Un simulateur a été conçu et développé. A l'aide d'une modélisation physique du comportement thermique et spectral du paysage, une classification des contributions des différents phénomènes physiques a pu être établie. Une simulation autorisant un haut degré de détails passe notamment par l'analyse et la prise en compte des phénomènes physiques à petite échelle (conduction, perturbations de l'écoulement du vent, ...) et à trois dimensions (ombrage, réflexions, ...) et implique la modélisation fine de ces phénomènes. L'originalité de la thèse réside dans la création d'une méthode de simulation, basée sur la radiosité, et adaptée à la synthèse d'images dans l'infrarouge thermique. Le paysage est modélisé à l'aide d'entités, les éléments, permettant de prédire précisément le signal provenant du paysage. Ces éléments sont compatibles avec les exigences matérielles informatiques qui imposent des limitations de temps de calcul et de ressources mémoires. Ils résultent de la concaténation des contraintes imposées par la géométrie des objets, par leur constitution (matériaux), et par la prise en compte de l'évolution temporelle des différents phénomènes physiques qui régissent le comportement du paysage. Ces éléments constituent une extension volumique et temporelle des facettes, entités communément utilisées pour la synthèse d'images dans les courtes longueurs d'onde. Des images obtenues en utilisant les éléments et le simulateur développé sont présentées dans la thèse.

Les images réalistes peuvent être obtenues en simulant le transport de lumière à l'aide de méthodes de type Monte-Carlo. La possibilité d'utiliser des sources de lumières réalistes pour synthétiser des images contribue grandement au réalisme physique des images obtenues. Parmi les modèles existants, ceux qui reposent sur les cartes d'environnements ou des champs lumineuse sont particulièrement intéressants parce qu'ils permettent d'une part, de capturer adéquatement les effets de champs proches et champs lointains et d'autre part, ils peuvent être mesurés de manière directe. Comme les sources de lumières mesurées peuvent contenir des hautes fréquences et peuvent être de haute dimensionnalité (4D), leur utilisation dans le contexte de la synthèse d'images temps-réel pose des problèmes de performance. Dans cette thèse, nous nous recherchons un compromis entre précision de la représentation et efficacité de la simulation. Le travail effectué repose sur un échantillonnage de haute qualité des sources de lumière pour les méthodes non-biaisées de Monte Carlo. Nous introduisons de nouvelles techniques d'échantillonnage pour le rendu physico-réaliste avec des cartes d'environnement qui varient temporellement ainsi que pour des sources de lumière des champs lumineuse. Les résultats obtenus montrent que l'on peut obtenir un rendu physiquement réaliste, précis et temps réel avec des sources lumière réalistes.

Les techniques de rendu en Synthèse d'Images produisent des images d'une scène virtuelle en prenant comme point de départ la définition de cette scène : les objets qui la composent, leur position, leurs matériaux, mais aussi la position de l'observateur. Parmi les techniques de rendu, on distingue les techniques de rendu Photo-Réalistes, qui cherchent à produire une image aussi proche que possible de la réalité, en simulant les échanges lumineux à l'intérieur de la scène. On obtient ainsi une image de la scène avec les effets d'éclairage, à la fois directs et indirects, les reflets, les ombres... La recherche dans le domaine de la simulation de l'éclairage a énormément progressé au cours des dernières années, de telle sorte que la production d'images photoréalistes est désormais un objectif accessible pour le grand public. Plusieurs applications industrielles tirent parti de cette génération d'images photoréalistes : visite virtuelle de bâtiments, jeux vidéo, prototypage virtuel, effets spéciaux, design architectural... Ces applications industrielles ont un effet d'entraînement sur la recherche : les utilisateurs (et les industriels) sont demandeurs d'effets toujours plus réalistes, et les chercheurs sont mis à contribution. Le décalage entre la date de publication d'un nouvel algorithme et son emploi dans un produit industriel s'est considérablement réduit, passant de plus de 10 ans dans les années 1990 à quelques années seulement en 2006. Non seulement ce dynamisme augmente les possibilités d'application industrielle pour nos recherches, mais encore il ouvre de nouvelles directions de recherche, pour combler les besoins accrus en interactivité et en réalisme des utilisateurs. Dans ce mémoire, nous allons nous intéresser à ces problèmes de simulation photo-réaliste de l'éclairage. En particulier, nousallons présenter : la simulation de l'éclairage par des méthodes d'éléments finis multi-échelles (radiosité par ondelettes), la détermination des caractéristiques de la fonction d'éclairage (dérivées, fréquence), et la simulation en temps-réel ou interactif de plusieurs effets lumineux (ombres, reflets spéculaires, éclairage indirect). Ces trois domaines recouvrent l'ensemble de nos travaux pendant cette période.

Ce travail prend place au sein d'une recherche sur la modélisation 3d des scènes géologiques. Son apport spécifique est le suivant: 1) une réflexion générale est menée sur la géométrie des principaux types de corps géologiques ; 2) une réflexion est également menée, au vu notamment des travaux réalisés antérieurement ; 3) à la suite de cette réflexion d'ensemble, nous centrons la réflexion sur un problème particulier: celui de la modélisation d'objets de forme quelconque susceptibles d'être déformés ou d'être composés entre eux. Nous montrons que la question essentielle sous-jacente a une modélisation est celle du choix d'une structure de données ; 4) définition d'une structure hybride, l'arbre BSP mixte ; 5) au terme de la réflexion, nous avons construit le logiciel granite.

Engendrer en temps-réel des déformations visuellement réalistes d'objets 3D, comme par exemple le corps et les vêtements de personnages, est un point crucial en animation, que ce pour des applications au jeu vidéo ou à la production cinématographique. Les méthodes de déformations géométriques actuelles rapides telles que le "skinning" ou l'animation physique à basse résolution ne capturent cependant pas certains comportements naturels essentiels. En particulier les déformations à volume constant du corps, le gonflement des muscles pour un personnage, ou la génération de plis sur ses vêtements dus au fait que leurs surfaces doivent rester développable. Cette thèse présente une série de méthodes rendant les modèles géométriques "actifs", c'est à dire capables de maintenir un certain nombre de contraintes intrinsèques de la surface portant sur le volume englobé ou sur le caractère développable de celle-ci. Nous étudions trois exemples: - l'ajout de contraintes locales de volumes lors de l'animation d'une créature virtuelle par skinning. - l'ajout de plis de vêtements modélisant une surface quasi-inextensible à partir d'une animation à basse résolution donnée en entrée. - la génération d'une surface de type papier froissé, basée sur la préservation de l'isométrie vis-à-vis d'un patron planaire. Dans tous ces modèles, notre approche est procédurale. Elle se base sur la déformation progressive et, potentiellement, le raffinement dynamique de la géométrie juste avant l'étape de rendu. / Generating visually realistic deformation of 3D objects in real-time for character body or garment is essential for the animation field, both for video games applications and movie production. Current fast deformation methods such as "skinning", or low resolution physically based simulations fail to capture some important natural behaviors. For instance constant volume deformation of a body, muscle bulging of a character, or wrinkling its garment which must be modeled by a developable surface. This thesis presents several methods making a geometrical models "active", that is to say able to maintain a certain number of intrinsic constraints of the surface linked to its bounded volume, or its developability. We develop three case studies - The addition of local volume constraints during skinning animation of a virtual creature. - The addition of wrinkles on garments to model stretch minimizing surface starting from a general low resolution animation provided as input. - The generation of folded paper looking surface based on length preservation with respect to its planar pattern. For every cases, we rely on a procedural approach based on progressive deformation, and eventually, on-the-fly refinement of the geometry just before the rendering stage.

Cette thèse introduit une méthode programmable de conception d'arrangements 2D pour les textures faites de petits éléments gémoétriques. Ces textures sont omniprésentes dans de nombreux domaines, par exemple l'illustration assistée par ordinateur. Notre approche cible les artistes-techniciens qui concevront chaque arrangement en écrivant un script. Ces scripts sont basés sur trois types d'opérateurs dédiés à la conception rapide d'arrangements stationnaires : les partitions qui décrivent l'organisation globale de l'arrangement, les associations qui controllent l'organisation locale des éléments et les combinaisons qui assemblent différents arrangements. Nous montrons que ce simple ensemble d'opérateurs est suffisant pour atteindre une variété d'arrangements bien plus grande que les méthodes précédentes. De plus les modifications du script mènent à des changements prédictibles dans l'arrangement généré, ce qui permet facilement de concevoir des structures complexes de façon itérative. Enfin, notre ensemble d'opérateurs est extensible et peut être adapté à différents besoins selon les applications. En particulier, nous amenons une contribution supplémentaire à cette nouvelle approche : nous introduisons une méthode aux performances interactives pour synthétiser des arrangements infinis de types réguliers et semi-réguliers. Cette méthode est badée sur la carte planaire pavée, une nouvelle structure de données que nous introduisons et qui contient peu mais suffisamment d'information pour représenter ces arrangements infinis. Nous montrons également comment étendre notre système pour concevoir des arrangements incluant des variations spatiales en utilisant des champs de contrôle. Nous appliquons cette extension au domaine de la cartographie, dans le cadre d'une collaboration avec l'Institut National de l'Information Géographique et Forestière (IGN-France). Le but de ce projet est de synthétiser automatiquement les motifs de hachurage représentant les zones rocheuses des montagnes dans les cartes topographiques. / This thesis introduces a programmable method to design 2D arrangements for element textures: Textures made of small geometric elements. These textures are ubiquitous in numerous applications of computer-aided illustration. Our approach targets technical artists who will design an arrangement by writing a script. Such scripts are based on three types of operators dedicated to the fast creation of stationary arrangements: Partitioning operators for defining the broad-scale organization of the arrangement, mapping operators for controlling the local organization of elements, and merging operators for mixing different arrangements. We show that this simple set of operators is sufficient to reach a much broader variety of arrangements than previous methods. Editing the script leads to predictable changes in the synthesized arrangement, which allows an easy iterative design of complex structures. Finally, our operator set is extensible and can be adapted to application-dependent needs. In particular, we introduce an additional contribution to this main framework: We present a method that demonstrates interactive performances at synthesizing (infinite) regular and semi-regular arrangements using the Tiled Planar Map, a novel data structure that contains few yet sufficient information for representing these arrangements. Finally, we show how to extend our system for designing spatially-varying textures using control fields. In particular, we present a practical application to cartography in which we collaborated with the French National Mapping Agency (IGNFrance) to automatically synthesize hatchings in rocky mountain areas of topographic maps.