Simulation numérique parallèle et graphisme haute-performance ...

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Departement de formation doctorale en informatique
Institut National Ecole doctorale IAE + M
Polytechnique de Lorraine
Simulation numerique parallele et
graphisme haute{performance pour la
synthese d’images realistes
THESE
presentee et soutenue publiquement le mardi 24 octobre 2000
pour l’obtention du
Doctorat de l’Institut National Polytechnique de Lorraine
(specialite informatique)
par
Xavier Cavin
Composition du jury
Rapporteurs : Pr. Michel Cosnard INRIA Lorraine
Pr. Xavier Pueyo Girona Universidat
Pr. Jaswinder Pal Singh Princeton University
Examinateur : Pr. Jean{Laurent Mallet INPL
Invite : M. Laurent Alonso INRIA Lorraine
Directeur de thèse : Pr. Jean{Claude Paul INRIA Lorraine
Laboratoire Lorrain de Recherche en Informatique et ses Applications | UMR 7503 Mis en page avec la classe thloria. Remerciements
Je tiens tout d’abord à remercier Jean–Claude Paul pour la confiance qu’il m’a accordée en
acceptant d’être mon directeur de thèse, et pour avoir toujours soutenu et orienté mon travail
dans la bonne direction.
Je remercie également les membres du jury, Michel Cosnard, Xavier Pueyo, Jaswinder Pal
Singh et Jean–Laurent Mallet, qui m’ont fait l’honneur d’être les rapporteurs et examinateurs
de cette thèse.
Un merci particulier à Laurent Alonso pour son aide tout au long de ce travail et pour les
nombreux échanges qui en ont fait ce qu’il est.
Dans le même ordre d’idée, je remercie Alain Filbois pour son support technique constant
sur les machines du Centre Charles ...
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Departement de formation doctorale en informatique Institut National Ecole doctorale IAE + M Polytechnique de Lorraine Simulation numerique parallele et graphisme haute{performance pour la synthese d’images realistes THESE presentee et soutenue publiquement le mardi 24 octobre 2000 pour l’obtention du Doctorat de l’Institut National Polytechnique de Lorraine (specialite informatique) par Xavier Cavin Composition du jury Rapporteurs : Pr. Michel Cosnard INRIA Lorraine Pr. Xavier Pueyo Girona Universidat Pr. Jaswinder Pal Singh Princeton University Examinateur : Pr. Jean{Laurent Mallet INPL Invite : M. Laurent Alonso INRIA Lorraine Directeur de thèse : Pr. Jean{Claude Paul INRIA Lorraine Laboratoire Lorrain de Recherche en Informatique et ses Applications | UMR 7503 Mis en page avec la classe thloria. Remerciements Je tiens tout d’abord à remercier Jean–Claude Paul pour la confiance qu’il m’a accordée en acceptant d’être mon directeur de thèse, et pour avoir toujours soutenu et orienté mon travail dans la bonne direction. Je remercie également les membres du jury, Michel Cosnard, Xavier Pueyo, Jaswinder Pal Singh et Jean–Laurent Mallet, qui m’ont fait l’honneur d’être les rapporteurs et examinateurs de cette thèse. Un merci particulier à Laurent Alonso pour son aide tout au long de ce travail et pour les nombreux échanges qui en ont fait ce qu’il est. Dans le même ordre d’idée, je remercie Alain Filbois pour son support technique constant sur les machines du Centre Charles Hermite. Un merci spécial à Denis Roegel pour sa classe thloria pour LaTeX, qui a facilité la vie de nombreux thésards du laboratoire. Comment ne pas remercier les membres de la dream team ISA, passés, présents et futurs, pour la fabuleuse ambiance qu’ils y font régner? Enfin, merci à toutes les personnes qui m’ont supporté — dans tous les sens du terme — pas seulement pendant ces trois années de thèse mais aussi et surtout pendant les 24 autres et qui sauront, j’en suis certain, se reconnaître. i ii À l’équipe de France de football, championne du monde, d’Europe. iii iv Résumé Les travaux de recherche présentés dans cette thèse s’inscrivent dans le cadre de la visua lisation réaliste et interactive de modèles numériques de très grande taille pour la réalité vir tuelle. Nous montrons ainsi comment il est possible de calculer et de visualiser des solutions de radiosité très précises, sur une machine multi–processeur à mémoire partagée distribuée équi pée de matériel graphique, dans des environnements immersifs. Tout d’abord, nous présentons des techniques de partitionnement et d’ordonnancement pour la parallélisation d’un algorithme de radiosité hiérarchique à base d’ondelettes ; celles–ci permettent une excellente répartition de la charge de travail entre les processeurs tout en garantissant la localité des données mé moire. Nous abordons simultanément un certain nombre de problèmes liés à la gestion de la mémoire en parallèle au sein d’un large espace d’adressage virtuel partagé. Nous voyons en suite comment il est possible d’intégrer, dans le calcul parallèle, l’accélération des requêtes de visibilité en utilisant le matériel graphique. Enfin, la visualisation efficace des solutions de ra diosité calculées est entreprise dans différents environnements graphiques haute–performance, qui permettent d’ajouter au vol des effets optiques non pris en compte lors du calcul initial. Mots clés:parallélisme, infographie, rendu réaliste, illumination globale, radiosité, algorithme hiérarchique, visibilité, matériel graphique, gestion mémoire, rendu temps–réel, visualisation, réalité virtuelle. Abstract Realistic image synthesis through parallel numerical simulation and high– performance graphics : we present in this thesis our research work in the field of realistic and interactive visualization of very large numerical models for virtual reality. We show how it is feasible to compute and to visualize highly precise radiosity solutions, on a distributed shared memory multi–processor machine connected to some graphics hardware, in immersive environments. First, we present partitioning and scheduling techniques for the parallelization of a hierarchical wavelet radiosity algorithm ; these techniques allow an optimal load balancing, while still exhibiting excellent memory data locality. At the same time, we address some prob lems related to the parallel memory management within a large shared virtual address space. We then integrate graphics hardware acceleration to speed–up visibility queries during parallel computations. Finally, efficient visualization of computed radiosity solutions is undertaken in several high–performance graphics environments, that allow to add on–the–fly optical effects that could not have been taken into account during the initial computations. Keywords: parallelism, computer graphics, realistic rendering, global illumination, radiosity, hierarchical algorithm, visibility, graphics hardware, memory management, real–time render ing, visualization, virtual reality. v vi Avant–propos « Entre Ce que je pense, Ce que je veux dire, Ce que je crois dire, Ce que je dis, Ce que vous avez envie d’entendre, Ce que vous croyez entendre, Ce que vous entendez, Ce que vous avez envie de comprendre, Ce que vous comprenez, Il y a dix possibilités qu’on ait des difficultés à communiquer. Mais essayons quand même... » Encyclopédie du savoir relatif et absolu EDMOND WELLS RECETTE DE LA MAYONNAISE : Il est très difficile de mélanger des matières dif férentes. Pourtant, il existe une substance qui est la preuve que l’addition de deux substances différentes donne naissance à une troisième qui les sublime : la mayon naise. Comment composer une mayonnaise? Tourner en crème dans un saladier le jaune d’un œuf et de la moutarde à l’aide d’une cuillère en bois. Ajouter de l’huile pro gressivement, et par petites quantités, jusqu’à ce que l’émulsion soit parfaitement compacte. La mayonnaise montée, l’assaisonner de sel, de poivre et de 2 centi litres de vinaigre. Le grand secret de la mayonnaise : l’œuf et l’huile doivent être exactement à la même température. L’idéal : 15 C. Ce qui liera en fait les deux ingrédients, ce seront les minuscules bulles d’air qu’on y aura introduites juste en battant. 1 + 1 = 3 [::: ] Encyclopédie du savoir relatif et absolu, tome III EDMOND WELLS vii
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