[tel-01073518] Apparence multi-échelles pour le rendu réaliste et efficace des surfaces complexes

Efficient rendering of realistic and complex scenes is a major challenge for image synthesis In the field of photorealistic rendering the image is computed by simulating the physical interactions between the light and the content of the scene Nowadays production studios don't create simple scenes for their movies but gigantic and extremely detailed worlds This exponential rise of complexity is responsible for scalability problems The amount of data and the complexity of the interactions are such that computing the image has become unreasonably costly and this even on the most powerful computers In the field of real-time rendering the objective of photorealism is less pushed on but the problem posed by the complexity resides in the amount of subpixel details They are the source of artefacts like aliasing popping and inconsistent changes of appearances Subpixel details influence appearance at the level of the pixel and cannot just be removed Indeed the transition from pixel to subpixel during a zoom requires recovering the emerging visual effects with high accuracy Hence using a multi-scale strategy in which subpixel details are represented like surface material is a natural solution to this scalability problem However existing multi-scale models are mostly empirical and approximate They are not designed to handle complex scenes and fail at recovering the correct appearance they don't satisfy the requirements for photorealistic quality demanded in production We claim that it is possible to design efficient and high-quality multi-scale rendering algorithms This can be done by modeling rigorously the problem of filtering the appearance at the level of the pixels We explore this idea in the case of detailed surfaces for which we use and revisit the theoretical background provided by microfacet theory In the first part of this manuscript we design the physical microfacet-based model which describes the interactions between light and a multi-scale surface We start by revisiting the foundations of microfacet theory Starting from the conservation of the visible projected area we derive and unify existing results Then we extend the theory and make it compatible with multi-scale rendering paradigms The understanding acquired from the model also allows us to derive new results For instance we show how invariance properties can be used to derive results in the case of anisotropic microsurfaces for which anisotropy is due to stretched micro-geometry the typical case which occurs with animated surfaces We also propose a metric that we use to validate microfacet-based models In the second part we show how to use these theoretical results to design multi-scale rendering applications for detailed surfaces In practice one needs to choose a representation for multi-scale surfaces and their materials and compute how they interact with the incident light We use a lightweight memory representation and show how to make it compatible with the animation of the models so that there is no need to initialize it again for each image of an animated sequence When the geometrical and optical attributes of the material are correlated they have to be represented and evaluated in a way that depends on their visibility for the camera and the light source directions We show that this problem can always be expressed as a color mapping problem We derive its solution and an efficient way to evaluate it Finally we describe numerical integration schemes for the incident light dedicated to real-time and offline rendering In particular we propose a new importance sampling technique for microfacet-based materials that can be used in a typical Monte Carlo rendererLe rendu à la fois réaliste et efficace des scènes complexes est un défi majeur de l'image de synthèse Dans le domaine du rendu photo-réaliste l'image est calculée en simulant les interactions physiques entre la lumière et le contenu de la scène Mais aujourd'hui les studios de production ne créent plus pour leurs films de simples scènes mais des mondes entiers à la fois gigantesques et détaillés La complexité s'est accrue de manière exponentielle entraînant un problème de scalabilité La masse de données et la complexité des interactions sont telles que le calcul de l'image est devenu déraisonnablement coûteux et ce même sur des serveurs de calcul très puissants Dans le domaine du rendu temps-réel l'objectif de photo-réalisme est moins poussé Le problème posé par la complexité est alors celui de la quantité de détails sous-pixel qui sont source d'artefacts visuels comme l'aliasing le popping et l'incohérence de l'apparence avec les changements de distance Les détails sous-pixel ont une influence sur l'apparence au niveau du pixel et ne peuvent donc être simplement omis De fait réaliser un rendu multi-échelles en traitant séparément les détails vus de loin comme des matériaux est une solution naturelle à ce problème Cependant les modèles multi-échelles existants souvent empiriques ou analysés avec force approximations sont peu précis ou du moins n'ont pas été conçus pour représenter des situations complexes et échouent à préserver l'apparence des objets et donc à garantir la qualité photo-réaliste de l'image ce qui les rend inutilisables avec les exigences de qualité en production Nous soutenons la thèse qu'il est possible en passant par une modélisation rigoureuse du problème de l'apparence au niveau des pixels de mettre au point des algorithmes de rendu multi-échelles efficaces qui calculent des images de qualité Nous explorons cette idée dans le cas des surfaces détaillées pour lesquelles nous utilisons et revisitons la théorie des micro-facettes comme fond théorique La première partie de ce mémoire est dédiée à la mise au point du modèle physique à micro-facettes qui décrit les interactions entre la lumière et une surface multi-échelles Nous commençons par revisiter les fondements de la théorie des micro-facettes En partant de la conservation de l'aire projetée visible des micro-facettes nous redérivons et unifions les principaux modèles existants Ensuite nous étendons la théorie pour la rendre compatible avec un paradigme de rendu multi-échelles La compréhension acquise sur le modèle nous permet aussi de dériver de nouveaux résultats En particulier nous montrons comment certaines propriétés d'invariance permettent de dériver simplement des résultats pour des micro-surfaces anisotropes Enfin nous proposons une métrique de validation pour les modèles à micro-facettes que nous utilisons pour valider les résultats existants ainsi que les nouveaux que nous proposons Dans la seconde partie nous montrons comment utiliser ces résultats théoriques pour mettre au point des applications de rendu de surfaces multi-échelles En pratique il faut choisir une représentation pour les surfaces multi-échelles et leurs matériaux et calculer leurs interactions avec l'éclairage Nous utilisons une représentation mémoire simple et légère pour les surfaces et montrons comment la rendre compatible avec l'animation des modèles afin de ne pas avoir à la recalculer pour chaque image d'une séquence animée Lorsque les attributs géométriques et optiques du matériau sont corrélés ils doivent être représentés et évalués d'une manière qui dépend de leur visibilité à la fois pour la caméra et pour la lumière Nous montrons que ce problème peut toujours s'exprimer comme un problème de color mapping dont nous dérivons la solution ainsi qu'une manière efficace de la calculer Enfin nous décrivons des algorithmes d'intégration numérique de l'éclairage incident dédiés au rendu temps-réel et offline



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