Apparence matérielle : représentation et rendu photo-réaliste

Material appearance : photo-realistic representation and rendering

• Auteur / Autrice : Mahdi Mohammadbagher
• Direction : Nicolas Holzschuch, Cyril Soler
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques
• Date : Soutenance le 19/11/2012
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Inria Grenoble Rhône-Alpes / LJK Laboratoire Jean Kuntzmann - MAVERICK - Laboratoire Jean Kuntzmann (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Florence Forbes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Holzschuch, Cyril Soler, Jaakko Lehtinen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Steve Marschner, Mathias Paulin

Mots clés

Mots clés libres

Apparence matérielle

Réflectance

BRDF

Analyse fréquentielle

Micro-facette

Cook-Torrance

Material appearance

Reflectance

BRDF

Frequency analysis

Micro-facet

Cook-Torrance

Résumé

Cette thèse présente quelques avancées sur la représentation efficace de l’apparence matérielle dans une simulation de l’éclairage. Nous présentons deux contributions : un algorithme pratique de simulation interactive pour rendre la réflectance mesurée avec une géométrie dynamique en utilisant une analyse fréquentielle du transport de l’énergie lumineuse et le shading hiérarchique et sur-échantillonnage dans un contexte deferred shading, et une nouvelle fonction de distribution pour le modèle de BRDF de Cook-Torrance. Dans la première partie, nous présentons une analyse fréquentielle de transport de l’éclairage en temps réel. La bande passante et la variance sont fonction de l’éclairage incident, de la distance parcourue par la lumière, de la BRDF et de la texture, et de la configuration de la géométrie (la courbure). Nous utilisons ces informations pour sous-échantillonner l’image en utilisant un nombre adaptatif d’échantillons. Nous calculons l’éclairage de façon hiérarchique, en un seul passage. Notre algorithme est implémenté dans un cadre de deferred shading, et fonctionne avec des fonctions de réflectance quelconques, y compris mesurées. Nous proposons deux extensions : pré-convolution de l’éclairage incident pour plus d’efficacité, et anti-aliasing utilisant l’information de fréquence. Dans la deuxième partie, nous nous intéressons aux fonction de réflectance a base de micro-facette, comme le modèle de Cook-Torrance. En nous basant sur les réflectances mesurées, nous proposons une nouvelle distribution des micro-facettes. Cette distribution, Shifted Gamma Distribution, s’adapte aux donnée avec plus de précision. Nous montrons également comment calculer la fonction d’ombrage et de masquage pour cette distribution. Dans un deuxième temps, nous observons que pour certains matériaux, le coefficient de Fresnel ne suit pas l’approximation de Schlick. Nous proposons une généralisation de cette approximation qui correspond mieux aux données mesurées. Nous proposons par ailleurs une nouvelle technique d’optimisation, canal par canal, en deux étapes. Notre modèle est plus précis que les modèles existants, du diffus au spéculaire.

This thesis presents some advances in efficient representation of material appearance in a lighting simulation. The scope of this thesis is two-fold: an interactive shading algorithm to render measured reflectance with dynamic geometry using frequency analysis of light transport and hierarchical shading and up-sampling in deferred shading context, and a new normal distribution function for the Cook-Torrance micro-facet BRDF model, along with a new shadowing and masking function and a generalization of Schlick’s approximation of the Fresnel term. In the first part, we introduce a real-time frequency analysis of light transport framework that allows us to estimate the bandwidth and variance of the shading integrand. The bandwidth and variance are a function of frequencies in the illumination, distance traveled by light, BRDF and texture, and the geometry configuration (curvature). We use this information to under-sample the image, and also use an adaptive number of samples for shading. We devise a single-pass hierarchical shading and up-sampling scheme to assemble an image out of the sparsely shaded image pixels. We extend our interactive technique to use pre-convolved shading for real-time performance. We also take advantage of the bandwidth information to perform multi-sample anti-aliasing in deferred shading by subsampling only a small portion of image pixels whose bandwidth is smaller than 1 pixel^-1. In the second part, we propose a new distribution function for the Cook-Torrance micro-facet BRDF, based on our observations on the reflectance measurements. We isolate the distribution components of the reflectance data and directly observe that existing distribution functions are insufficient. Then we devise the Shifted Gamma Distribution (SGD) fitting more accurately to the data. We derive the shadowing and masking function from the distribution. We observe that not all materials have the Fresnel behavior expected by Schlick’s approximation. Hence, we generalize the Schlick’s approximation to more accurately fit the model to the measurements. We introduce a two-step fitting approach, that fits each RGB channel separately — accounting for wave-length dependent effects. We show that our shading model outperforms existing models and accurately represents a wider range of materials from diffuse to glossy and highly specular materials.