Communication expressive de la forme au travers de l’éclairement et du rendu au trait

De
Publié par

Sous la direction de Xavier Granier, Pascal Barla
Thèse soutenue le 10 décembre 2010: Bordeaux 1
Le rendu expressif a pour objectif de développer des algorithmes qui donnent la possibilité aux utilisateurs de créer des images artistiques. Il permet non-seulement de reproduire des styles traditionnels, mais surtout de communiquer un message spécifique avec un style qui lui correspond. Dans ce manuscrit, nous proposons de nouvelles solutions pour réintroduire la forme, souvent masquée dans les images réalistes. Nous montrons tout d'abord comment extraire les informations de surface pertinentes sur des objets 3D dynamiques, en nous basant sur les caractéristiques du système visuel humain, de sorte à obtenir des informations qui fournissent des niveaux de détail automatiques tout en prenant le point de vue en compte. Dans un deuxième temps, nous utilisons ces données extraites à la surface des objets 3D pour les intégrer en temps réel dans des styles variés, allant du rendu minimaliste noir et blanc au dessin au trait, en passant par des résultats réalistes.
-Rendu expressif
-Rendu non-photoréaliste
-Communication de la forme
-Dessin au trait
Expressive rendering aims at designing algorithms that give users the possibility to create artistic images. It allows to produce traditional styles, but also to convey a specific message with its corresponding style. In this thesis, we propose new solutions for enhancing shape, often hidden in realistic images. We first show how to extract relevant surface features on 3D dynamic scenes, taking the human visual system into account, in order to be able to control level-of-details. In a second step, we integrate this information in a variety of styles: minimalist black and white, realistic, or line-based renderings.
-Expressive rendering
-Non-photorealistic rendering
-Shape enhancement
-Line-based rendering
Source: http://www.theses.fr/2010BOR14154/document
Publié le : vendredi 28 octobre 2011
Lecture(s) : 45
Nombre de pages : 167
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oN d’ordre : 4154
THÈSE
présentée à
L’UNIVERSITÉ BORDEAUX 1
ÉCOLE DOCTORALE DE MATHÉMATIQUES ET
D’INFORMATIQUE
par Romain Vergne
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR
SPÉCIALITÉ : INFORMATIQUE
Communication expressive de la forme au travers de l’éclairement et
du rendu au trait
Soutenue le : 10 décembre 2010
Après avis des rapporteurs :
Joëlle Thollot . . . . . . . Professeur
George Drettakis . . . . Directeur de recherche
Devant la commission d’examen composée de :
Joëlle Thollot . . . . . . . Professeur . . . . . . . . . . . Rapporteur
George Drettakis . . . . Directeur de recherche
Victor Ostromoukhov Professeur . . . . . . . . . . . Examinateur
Christophe Schlick . . . . . . . . . . . . . Directeur de Thèse
Xavier Granier . . . . . . Chargé de Recherche . Co-Directeur de Thèse
Pascal Barla . . . . . . . . Chargé de . de
2010Résumé
Le rendu expressif a pour objectif de créer des algorithmes permettant de
contrôler la manière dont les images de synthèse sont créées. Plus précisément, il
s’agit de laisser aux utilisateurs la possibilité de faire passer un message spécifique
dans un style donné, même s’il faut pour cela s’éloigner des techniques d’éclaire-
ment physiquement réalistes. Dans cette thèse, nous proposons une formalisation
du rendu expressif , en décomposant le message à communiquer dans une scène
3D et le style utilisé pour créer l’image finale. Au cours de ce manuscrit, nous nous
concentrons sur deux domaines ayant la particularité de s’appuyer sur un message
commun : la mise en valeur de la forme des objets dans des scènes dynamiques.
Dans la première partie de ce mémoire, nous proposons de nouvelles solutions pour
exagérer les détails de surface à travers le rendu. Nous montrons notamment com-
ment extraire des informations pertinentes sur la forme des objets en prenant les
caractéristiques du système visuel humain en compte. Notre approche permet ainsi
de déterminer des dépendantes du point de vue, qui fournissent des
niveaux de détail automatiques de manière dynamique. Nous nous servons ensuite
de ce message pour modifier l’éclairement et l’introduire dans des styles variés,
allant du rendu minimaliste noir et blanc, au rendu réaliste.
Dans la seconde partie de ce mémoire, nous proposons une nouvelle approche pour
communiquer la forme des objets via le dessin au trait. Nous introduisons une dé-
finition générale des lignes, cohérente spatialement et temporellement, et capable
d’identifier de nombreux types de détails. Nous montrons ensuite comment appli-
quer une stylisation implicite le long de ces lignes, de sorte à obtenir des eets et
styles originaux qui s’adaptent parfaitement aux détails de surface.
Nous discutons enfin plus en détail des limitations de chacune de ces approches
dans une troisième partie. Nous montrons que notre perception de l’apparence est
un élément essentiel sur lequel nous pourrions nous appuyer dans des travaux fu-
turs. Les messages et styles dont nous parlons pourraient évoluer en un modèle
plus intuitif et plus cohérent.
Mots-clés : Rendu expressif, Rendu non-photoréaliste, Communication de la forme,
Dessin au trait.
34Abstract
Expressive rendering aims at designing algorithms that allow to control the way
images are created. More precisely, it provides the possibility to convey a specific
message using a given style, even if non-physically based techniques have to be
used. In this thesis, we propose a formalization for expressive rendering, by de-
composing it into a message to convey in a 3D scene, and the style used to create
the final image. We will concentrate our work on two topics that have a same mes-
sage : object shape enhancement on dynamic scenes.
In the first part of this thesis, we propose new solutions for exaggerating surface
details through shading. We show how to extract relevant surface features by ta-
king the human visual system into account. Our approach then allows to detect
view-dependant surface details and provides automatic levels-of-detail on dyna-
mic scenes. This message is used for modifying the way lights interact with 3D
objects and for creating various styles, from minimal black and white toon shading
to realistic rendering.
In the second part of this thesis, we propose a new approach for conveying surface
details using line-based rendering. We show that all kind of lines may be extracted
via a single general definition, in a temporally and spatially coherent way. Next,
we show how to apply an implicit stylization along the detected features, in order
to obtain various styles and original eects.
We discuss the limitations of both techniques in the third part of the thesis. We
show that our perception of appearance is an essential element that have to be ta-
ken into account in future work. Messages and styles could evoluate in a more
coherent and intuitive model.
Key-Words : Expressive rendering, Non-photorealistic rendering, Shape enhance-
ment, Line-based rendering.
56Remerciements
J’ai été exceptionnellement bien entouré durant toute la durée de cette thèse
et je tiens à remercier toutes les personnes qui ont contribué à l’aboutissement de
ces travaux. Je remercie tout particulièrement mes trois directeurs de thèse : Chris-
tophe Schlick, Xavier Granier et Pascal Barla. Toutes les idées contenues dans
ce manuscrit proviennent de nos nombreuses discussions. Je remercie Christophe
pour sa gentillesse et son incroyable faculté à trouver des solutions simples à des
problèmes complexes. Je remercie Xavier, sans qui je n’aurais jamais commencé
cette thèse. Il m’a soutenu du début à la fin (et continue de le faire) et a toujours
tout fait pour me faire avancer. Je remercie aussi Pascal pour entre autres : sa mul-
titude d’idées géniales, ses discussions (scientifiques ou non) autour de cafés, au
fait qu’il ait été la tout le temps pour les bon et les moins bon moments, aux restos,
aux deadlines, aux restos après les deadlines, et j’en passe.
Je souhaite aussi remercier tous les membres de mon jury. Mes deux rapporteurs
de thèse, Joëlle Thollot et George Drettakis, pour leur interêt envers les travaux
présentés dans ce manuscrit, leur relecture et leurs remarques constructives. Je re-
mercie Victor Ostromoukhov pour avoir accepté d’être examinateur lors de la sou-
tenance et pour son interêt envers mes travaux. Merci encore à Joëlle pour avoir
accepté de présider le jury.
Je tiens à remercier Pascal Guitton qui m’a accepté au sein de l’équipe-projet
IPARLA et qui m’a toujours soutenu, à chaque fois que j’en ai eu besoins. Je re-
mercie plus généralement toute l’équipe IPARLA, dans laquelle j’ai passé trois
années excellentes. Je m’y suis fait des amis, plus que des collègues. Je remercie
notamment Romain Pacanowski, Jérome Baril, Benoït Bossavit, Nicolas Mellado,
Fabrice Decles, Martin Hachet, Patrick Reuter, Sebastian Knödel, Julien Hadim,
David Vanderhaeghe pour les moments passés ensemble, les discussions (scienti-
fiques ou pas), les cafés et les ping-pongs.
Je remercie toutes les personnes qui ont collaboré aux travaux présentés dans ce
7i
document et sans qui ceux-ci n’auraient jamais aboutis : Pascal Barla, Xavier Gra-
nier, Christophe Schlick, Romain Pacanowski, David Vanderhaeghe, Jiazhou Chen,
Pascal Mora, Frédéric Boutoulle.
Enfin, je tiens à remercier toute ma famille qui m’a toujours guidé et soutenu dans
tout ce que j’ai pu entreprendre. Merci donc à mes parents que j’adore, à mes deux
géniales soeurs, à mes beaux frères et à leurs enfants. Merci aussi à Sarah qui m’a
supporté, notamment lors de la rédaction pendant laquelle je n’étais pas forcément
disponible. Merci à tous mes amis, à toutes les personnes qui ont pris le temps de
relire ce document et à tous ceux que j’ai oublié.iiTable des matières
1 Introduction 1
2 Rendu expressif 5
2.1 Retour aux sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Dessins artistiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.2 Illustrations scientifiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Rendu expressif en informatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
I Mise en valeur de la forme à travers l’éclairement 19
3 L’éclairement et la forme 21
3.1 Réintroduction de la forme par les artistes . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 Équation de réflexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.1 Présentation de la fonction . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.2 BRDF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.3 Les rendus stylisés existants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3.1 Styles cartoon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3.2 Accessibility Shading et Ambient Occlusion . . . . . . . . 30
3.3.3 Exagération des détails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4 Descripteurs de surface 35
4.1 Descripteur centré sur l’objet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2 Descripteurs hybrides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2.1 Courbure apparente [JDA07] . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2.2 Descripteur de relief apparent . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3 Descripteur centré sur le point de vue . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.3.1 Cas 1D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.3.2 Analyse de la variation des normales en 2D . . . . . . . . 44
iii

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