Modélisation de l'apparence visuelle des matériaux - Rendu Physiquement réaliste

Sylvain Dumazet

Description

Sous la direction de Patrick Callet
Thèse soutenue le 26 février 2010: Ecole centrale Paris
Placé à la frontière entre l'informatique graphique et la physique, le rendu d'image physiquement réaliste est un domaine qui tente de créer des images en simulant le comportement optique des matériaux. Les applications sont multiples : restauration virtuelle d'oeuvre du patrimoine, simulation d'effets optiques, rendu industriel pour la conception, voire même, conception assistée par ordinateur de la couleur. Cette thèse présente les travaux réalisés au cours du projet Virtuelium, un logiciel de rendu d'image physiquement réaliste dont la quatrième version a été développée dans le cadre de cette thèse. Elle en présente les principes et méthodologies utilisés pour les mesures et la validation des résultats. Nous présentons aussi plusieurs travaux réalisés durant cette thèse avec cet outil : de la restauration virtuelle à la bio-photonique sans oublier un aperçu de rendu de matériaux à effet, pour des applications industrielles (peintures, encres, cosmétiques, etc.).
-rendu physiquement réaliste
-simulation spectrale
-polarisation
-apparence visuelle
-Virtuelium
Laying between computer graphics and physics, the rendering of physically based images is a domain that attempt to create images by simulating the optical behaviour of materials interacting with light (either natural or not). There are several applications : virtual restoration of cultural heritage artefacts, simulation of optical effects, industrial rendering for design and even computer-aided design of colour. This thesis presents the works realised within Virtuelium project framework, a physically based rendering software. The fourth version was developed during this thesis. Here will be presented the principles and methodologies involved for the measurements and the validation of the obtained results. We present also several works that have been done during that thesis using Virtuelium: from virtual restoration to bio-photonics, including an overview of iridescent pigments rendered for an industrial purpose.
-Physically based rendering
-ray-tracing
-spectral simulation
Source: http://www.theses.fr/2010ECAP0004/document

Sujets

• Polarisation
• Lancer de rayon

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 126
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 12 Mo

Extrait

ÉCOLE CENTRALE DES ARTS
ET MANUFACTURES
« ÉCOLE CENTRALE PARIS »
THÈSE
présentée par
SYLVAIN DUMAZET
pour l’obtention du
GRADE DE DOCTEUR
Spécialité : Informatique
Laboratoire d’accueil : Mathématiques Appliquées aux Systèmes
SUJET : Modélisation de l'apparence visuelle des matériaux - Rendu
physiquement réaliste
soutenue le : 26 février 2010
devant un jury composé de :
Christophe Renaud Président
Frédéric Mérienne Examinateur
Mathias Paulin Examinateur
Patrick Callet Directeur de thèse
Jacques Lafait
Venceslas Biri
Samuel Carré Invité
Henri Gouraud Invité
2010ECAP0004
tel-00470649, version 1 - 7 Apr 2010tel-00470649, version 1 - 7 Apr 2010Résumé :
Placé à la frontière entre l'informatique graphique et la physique, le rendu d'image
physiquement réaliste est un domaine qui tente de créer des images en simulant le
comportement optique des matériaux. Les applications sont multiples : restauration
virtuelle d'œuvre du patrimoine, simulation d'effets optiques, rendu industriel pour la
conception, voire même, conception assistée par ordinateur de la couleur.
Cette thèse présente les travaux réalisés au cours du projet Virtuelium, un logiciel de
rendu d'image physiquement réaliste dont la quatrième version a été développée
dans le cadre de cette thèse. Elle en présente les principes et méthodologies utilisés
pour les mesures et la validation des résultats.
Nous présentons aussi plusieurs travaux réalisés durant cette thèse avec cet outil :
de la restauration virtuelle à la bio-photonique sans oublier un aperçu de rendu de
"matériaux à effet", pour des applications industrielles (peintures, encres,
cosmétiques, etc.).
Title :
Modeling of the visual appearance of materials – Physically Based Rendering
Abstract :
Laying between computer graphics and physics, the rendering of physically based
images is a domain that attempt to create images by simulating the optical behaviour
of materials interacting with light (either natural or not). There are several
applications : virtual restoration of cultural heritage artefacts, simulation of optical
effects, industrial rendering for design and even computer-aided design of colour.
This thesis presents the works realised within Virtuelium project framework, a
physically based rendering software. The fourth version was developed during this
thesis. Here will be presented the principles and methodologies involved for the
measurements and the validation of the obtained results.
We present also several works that have been done during that thesis using
Virtuelium: from virtual restoration to bio-photonics, including an overview of
iridescent pigments rendered for an industrial purpose.
Keywords :
Physically based rendering, ray-tracing, spectral simulation, polarization, visual
appearance, BRDF, Virtuelium.
tel-00470649, version 1 - 7 Apr 20104
tel-00470649, version 1 - 7 Apr 2010Sommaire
Remerciements 7
Introduction 9
Notation 15
1 Lumier` e,matier` eetcouleur 17
1.1 Unites´ deradiometrie´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2 Reflectance´ etBRDF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3 Couleuretobservateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2 Rendud’imageetalgorithmesdebase 25
´2.1 Eclairementsetcheminslumineux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 L’equation´ derendu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3 Lelancerderayonsinverse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4 D’autresalgorithmescourants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3 Modeles` d’interactions 37
3.1 Modeles` empiriquesetphenom´ enologiques´ . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2 Modeles` physiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3 Lapolarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4 Lafluorescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4 Compositiondemodeles` d’interactions 51
4.1 Empilementdecouchesdiffusantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2dedielectriques´ sansrugosite´ . . . . . . . . . . 52
4.3 Vernis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5 Virtuelium 57
5.1 Presentation´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.2 Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.3 Fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.4 Limitationsettravauxfuturs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6 MesuresetValidation 67
6.1 Mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.2 Caracterisation´ d’unappareilphoto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.3 Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.4 Comparaisonavecuneimagederef´ erence´ . . . . . . . . . . . . . . . 76
5
tel-00470649, version 1 - 7 Apr 20106 SOMMAIRE
7 Restaurationvirtuelle 79
7.1 Methodologie´ delarestaurationvirtuelledessculptures . . . . . . . . 79
7.2 ApplicationauGisantdePhilippeDagobert . . . . . . . . . . . . . . 83
7.3 LagaleriedesroisdeNotreDamedeParis . . . . . . . . . . . . . . . 88
7.4 Versuneautreechelle´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
8 Biophotoniqueetpigmentsdufutur 93
8.1 Perlesnaturelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
8.2 PapillonMorphorhetenor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
8.3 LongicorneCalothyrzamargaritifera . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
8.4 Pigmentsa` effets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Conclusion 111
Bibliographie 112
Tabledesmatier` es 116
AnnexesI:PublicationsetParticipations 121
´AnnexesII:BasededonneesdePigments 125
Annexes III : Mesures spectroscopiques d’une dorure sur bois et de sa
preparation´ 129
tel-00470649, version 1 - 7 Apr 2010Remerciements
Cette these` fut une longue aventure que je n’ai pas pas parcouru seul. De nom-
breuses personnes m’ont apporte´ leur aide, leur soutien. Je tiens a` les remercier; sans
eux,jen’yseraispasparvenu.
Je remercie avant tout mes parents, Herve´ et Joelle,¨ ainsi que mon petit frere`
Thomas pour leur soutien constant tout au long de mes etudes´ et donc de ma these` et
pourleurpresence´ a` mescotˆ es.´ Ilsm’onttoujoursencourage´ a` poursuivremesetudes.´
Je n’oublie pas mes amis, trop nombreux pour tous les citer ici, pour leur appui,
leurs conseils, leurs encouragements et leur amitie,´ plus particulierement` Feriel,´ Em-
`manuel,GuillaumeetMorvan.Merciavoustous.
JeremercieaussiArianeGentyprecurseur´ dansceprojet,Remi´ Cerisequiaet´ e´ un
collegue` plus d’une demi-annee,´ Serge Berthier et Jacques Lafait qui m’ont permis de
decouvrir´ lemondedelabio-photoniqueetquim’ontaccorde´ beaucoupdetempspour
repondre´ a` mes questions. Avec Julie Boulenguez, ils m’ont permis de travailler aussi
surunecreature´ fascinanteauxailesbleutees.´
Je remercie Philippe Denizet et Marie-France Monanges du service audiovisuel de
l’ecole´ centralepourleuraideetleursphotographiesillustrantcettethese.`
Je remercie aussi les nombreux doctorants avec lesquels j’ai pu partager de bons
moments durant les ecoles´ thematiques´ sur la couleur des materiaux,´ a` Roussillon,
´mais aussi ceux du laboratoire Mathematiques´ Appliquees´ aux Systemes` et de l’Ecole
CentraleParisaveclesquelsj’aipuentretenirdesrelationstres` cordiales.
Je remercie le conseil gen´ eral´ des Hauts de Seine et le poleˆ de competiti´ vite´ Cap
Digitalpourlefinancementdemathese` etpouravoirpermisa` ceprojetd’aboutir.
Je remercie Fred´ eric´ Merienne´ et Mathias Paulin d’avoir accepte´ de jouer le roleˆ
difficile de rapporteur ainsi que les membres du jury : Jacques Lafait, Christophe Re-
naud,VenceslasBiri,SamuelCarre´ etHenriGouraud.
Enfin, je remercie evidemment´ Patrick Callet mon directeur de these` pour la quan-
tite´ incroyabledesavoirsqu’ilm’atransmise,sonsoutienetsonaidedurantcettethese.`
Ilm’asimplementfaitdecouvrir´ untoutnouveaudomaine.
´Malgre toute la reconnaissance que je puisse avoir pour toutes les personnes qui
m’ontaccompagne´ durantcestroisannees,´ ilestfortprobablequ’ilmesoitarrive´ d’en
oublier quelques-unes. Qu’elles ne le prennent pas mal! Je les remercie aussi, bien
volontiers.
7
tel-00470649, version 1 - 7 Apr 20108 SOMMAIRE
tel-00470649, version 1 - 7 Apr 2010Introduction
`Aproposdecettethese`
Cettethese,` financee´ parleConseilGen´ eral´ desHautsdeSeine,pourleprojetTer-
raData,labellise´ parlepoleˆ decompetiti´ vite´ CapDigital,seplacedanslacontinuite´ des
travaux effectues´ par notre equipe´ au sein du laboratoire Mathematiques´ Appliquees´
´auxSy