Le formalisme des micrograins pour le rendu de matériaux poreux

A micrograin formalism for the rendering of porous materials

• Auteur / Autrice : Simon Lucas
• Direction : Pascal Barla, Romain Pacanowski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 06/12/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de mathématiques et informatique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Centre de recherche Inria de l'université de Bordeaux (Bordeaux) - Laboratoire bordelais de recherche en informatique
• Jury : Président / Présidente : Daniel Meneveaux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Simonot
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Holly Rushmeier, Nicolas Holzschuch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement d'images -- Techniques numériques

Texture (traitement d'images)

Matériaux poreux

Infographie

Mots clés libres

Modèles de matériaux

Porosité

Synthèse d'images

Material modeling

Porosity

Computer Graphics

Résumé

Cette thèse porte sur l’impact des structures microscopiques sur l’apparence des matériaux, avec une importance particulière donnée aux matériaux poreux. Nous avons premièrement évalué les modèles d’apparence grâce à des simulations du transport lumineux dans des agrégats de sphères représentant un volume poreux. Nous avons remarqué qu’aucun modèle existant ne correspondait précisément aux simulations et que la majorité des erreurs proviennent des effets surfaciques. Cela nous a incité pour développer un modèle de reflectance bidirectionel (BSDF) spécialisé pour le rendu de couches poreuses, telles que celles que l’on trouve sur les surfaces recouvertes de terres, de poussières, de rouilles. Notre modèle étend la distribution Trowbridge-Reitz (GGX) pour gérer les pores entre des ellipsoïdes opaques, appelés micrograins, et introduit un taux de remplissage dépendant des directions d’observation et d’éclairement afin de mélanger l'apparence de couche poreuse et de la base. En tenant en compte des corrélations entre hauteur et normales ainsi qu’entre l’éclairement et l’observation dans les termes de masquage et d’ombrage, notre modèle produit des effets réalistes difficilement réalisables précédemment comme la rétro-réflexion et les corrélations entre couleurs et hauteurs visibles sur des matériaux réels. Afin d’améliorer l’efficacité des rendus, nous introduisons une méthode d’échantillonnage par importance de la fonction de distribution des normales visibles (vNDF) des micrograins. Au travers de simulations, nous avons validé la précision de notre modèle. Nos travaux décrivent un formalisme complet pour le rendu de couches poreuses et ouvrent de nombreuses perspectives pour des travaux futurs.

This thesis focuses on the impact of microscopic structures on material appearance, with a particular emphasis on porous materials. We first evaluated existing appearance models by conducting light transport simulations on sphere aggregates representing porous volumes. We found that none of the existing models accurately matched the simulations, with most errors arising from surface effects. This opened the path to the development of a specialized Bidirectional Scattering Distribution Function (BSDF) model for rendering porous layers, such as those found on surfaces covered with dust, rust, or dirt. Our model extends the Trowbridge-Reitz (GGX) distribution to handle pores between elliptical opaque micrograins and introduces a view- and light-dependent filling factor to blend porous and base layers. By adding height-normal and light-view correlations in the masking and shadowing terms, our model produces realistic effects seen in real world materials that were previously hardly obtainable like retro-reflection and height-color correlations. To improve the rendering efficiency of micrograin materials, we introduce an efficient importance sampling routine for visible Normal Distribution Functions (vNDF). Through numerical simulations, we validate the accuracy of our model. Finally, our work provides a comprehensive formalism for rendering porous layers and opens many perspectives of futur work.