Analyse de l’espace des chemins pour la composition des ombres et lumières

Analysis of the path space for light and shadow compositing

• Auteur / Autrice : Francois Desrichard
• Direction : David Vanderhaeghe
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique et Télécommunications
• Date : Soutenance le 06/12/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Informatique de Toulouse (1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Joëlle Thollot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Vanderhaeghe, Joëlle Thollot, Adrien Bousseau, Pascal Barla, Mathias Paulin, Pierre Poulin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Adrien Bousseau, Pascal Barla

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ombres

Animation (cinéma)

Infographie

Mots clés libres

Informatique graphique

Rendu

Monte-Carlo

Édition artistique

Composition

Ombres

Visibilité

Computer graphics

Rendering

Monte-Carlo

Artistic editing

Compositing

Shadows

Visibility

Résumé

La réalisation des films d'animation 3D s'appuie de nos jours sur les techniques de rendu physiquement réaliste, qui simulent la propagation de la lumière dans chaque scène. Dans ce contexte, les graphistes 3D doivent jouer avec les effets de lumière pour accompagner la mise en scène, dérouler la narration du film, et transmettre son contenu émotionnel aux spectateurs. Cependant, les équations qui modélisent le comportement de la lumière laissent peu de place à l'expression artistique. De plus, l'édition de l'éclairage par essai-erreur est ralentie par les longs temps de rendu associés aux méthodes physiquement réalistes, ce qui rend fastidieux le travail des graphistes. Pour pallier ce problème, les studios d'animation ont souvent recours à la composition, où les graphistes retravaillent l'image en associant plusieurs calques issus du processus de rendu. Ces calques peuvent contenir des informations géométriques sur la scène, ou bien isoler un effet lumineux intéressant. L'avantage de la composition est de permettre une interaction en temps réel, basée sur les méthodes classiques d'édition en espace image. Notre contribution principale est la définition d'un nouveau type de calque pour la composition, le calque d'ombre. Un calque d'ombre contient la quantité d'énergie perdue dans la scène à cause du blocage des rayons lumineux par un objet choisi. Comparée aux outils existants, notre approche présente plusieurs avantages pour l'édition. D'abord, sa signification physique est simple à concevoir : lorsque l'on ajoute le calque d'ombre et l'image originale, toute ombre due à l'objet choisi disparaît. En comparaison, un masque d'ombre classique représente la fraction de rayons bloqués en chaque pixel, une information en valeurs de gris qui ne peut servir que d'approximation pour guider la composition. Ensuite, le calque d'ombre est compatible avec l'éclairage global : il enregistre l'énergie perdue depuis les sources secondaires, réfléchies au moins une fois dans la scène, là où les méthodes actuelles ne considèrent que les sources primaires. Enfin, nous démontrons l'existence d'une surestimation de l'éclairage dans trois logiciels de rendu différents lorsque le graphiste désactive les ombres pour un objet ; notre définition corrige ce défaut. Nous présentons un prototype d'implémentation des calques d'ombres à partir de quelques modifications du Path Tracing, l'algorithme de choix en production. Il exporte l'image originale et un nombre arbitraire de calques d'ombres liés à différents objets en une passe de rendu, requérant un temps supplémentaire de l'ordre de 15% dans des scènes à géométrie complexe et contenant plusieurs milieux participants. Des paramètres optionnels sont aussi proposés au graphiste pour affiner le rendu des calques d'ombres.

The production of 3D animated motion picture now relies on physically realistic rendering techniques, that simulate light propagation within each scene. In this context, 3D artists must leverage lighting effects to support staging, deploy the film's narrative, and convey its emotional content to viewers. However, the equations that model the behavior of light leave little room for artistic expression. In addition, editing illumination by trial-and-error is tedious due to the long render times that physically realistic rendering requires. To remedy these problems, most animation studios resort to compositing, where artists rework a frame by associating multiple layers exported during rendering. These layers can contain geometric information on the scene, or isolate a particular lighting effect. The advantage of compositing is that interactions take place in real time, and are based on conventional image space operations. Our main contribution is the definition of a new type of layer for compositing, the shadow layer. A shadow layer contains the amount of energy lost in the scene due to the occlusion of light rays by a given object. Compared to existing tools, our approach presents several advantages for artistic editing. First, its physical meaning is straightforward: when a shadow layer is added to the original image, any shadow created by the chosen object disappears. In comparison, a traditional shadow matte represents the ratio of occluded rays at a pixel, a grayscale information that can only serve as an approximation to guide compositing operations. Second, shadow layers are compatible with global illumination: they pick up energy lost from secondary light sources that are scattered at least once in the scene, whereas the current methods only consider primary sources. Finally, we prove the existence of an overestimation of illumination in three different renderers when an artist disables the shadow of an object; our definition fixes this shortcoming. We present a prototype implementation for shadow layers obtained from a few modifications of path tracing, the main rendering algorithm in production. It exports the original image and any number of shadow layers associated with different objects in a single rendering pass, with an additional 15% time in scenes containing complex geometry and multiple participating media. Optional parameters are also proposed to the artist to fine-tune the rendering of shadow layers.