Extended distribution effects for realistic appearance and light transport

L'imagerie moderne générée par ordinateur cherche constamment à être de plus en plus représentative de la réalité physique tout autour de nous, et un de ces phénomènes clés est la notion d'effets de distribution. Les effets de distribution sont une catégorie de comportements du transport de la lumière caractérisés par leur nature distribuée selon une ou plusieurs dimension(s) donnée(s). Par exemple, le flou de mouvement est un effet de distribution dans le temps, alors que la profondeur de champ introduit le diaphragme de la caméra, ajoutant ainsi deux dimensions. Ces effets sont communs dans les films et la réalité, les rendant donc désirables à reproduire.  Dans cette thèse par articles, nous présentons quatre articles qui utilisent, étendent ou s'inspirent des effets de distribution. Premièrement, nous proposons une technique novatrice pour faire le rendu de flou de mouvement non-linéaire pour des applications en temps réel tout en conservant des caractéristiques clés d'efficacité et de mise à l'échelle. Nous tirons avantage des courbes de Bézier pour concevoir une approximation de mouvement non-linéaire depuis seulement quelques images clés et rastérisons une géométrie synthétisée pour reproduire le mouvement. Deuxièmement, nous présentons un algorithme qui fait le rendu de matériaux scintillants à haute fréquence illuminés par de grandes cartes environnementales. En utilisant une combinaison d'un système d'histogrammes de mi-vecteurs compact et des harmoniques sphériques multi échelle, nous pouvons efficacement représenter des normales de surface denses et rendre leurs interactions avec des sources de lumière filtrées de grandes dimensions. Troisièmement, nous introduisons une nouvelle méthode pour faire le rendu de dispersion sous la surface en tirant avantage de l'analyse fréquentielle et du parcours d'un arbre dual. En calculant le transport de la lumière sous la surface en espace image, nous pouvons rapidement analyser la fréquence du signal et déterminer des bandes passantes efficaces que nous pouvons alors utiliser pour limiter notre traversée dans un arbre dual d'ombrage et d'illumination. Finalement, nous démontrons un algorithme novateur d'illumination globale diffuse en temps réel qui utilise des sondes d'irradiance dynamiques. Grâce à des mises à jour efficaces de distribution de radiance, nous pouvons mettre à jour des sondes d'irradiance pendant l'exécution, prenant en compte les objets dynamiques et une illumination changeante, et nous le combinons avec une requête d'irradiance filtrée plus robuste, rendant une grille de sondes d'irradiance dense traitable en temps réel avec des artefacts minimes. Modern computer generated imagery strives to be ever more faithful to the physical reality around us, and one such key physical phenomenon is the notion of distribution effects. Distribution effects are a category of light transport behaviors characterized by their distributed nature across some given dimension(s). For instance, motion blur is a distribution effect across time, while depth of field introduces a physical aperture for the camera, thus adding two more dimensions. These effects are commonplace in film and real life, thus making them desirable to reproduce.  In this manuscript-based thesis, we present four papers which leverage, extend or inspire themselves from distribution effects. First, we propose a novel technique to render non-linear motion blur for real-time applications while conserving important scalability and efficiency characteristics. We leverage Bézier curves to approximate non-linear motion from just a few keyframes and rasterize synthesized geometry to replicate motion. Second, we present an algorithm to render glinty high-frequency materials illuminated by large environment maps. Using a combination of a compact half-vector histogram scheme and multiscale spherical harmonics, we can efficiently represent dense surface normals and render their interaction with large, filtered light sources. Third, we introduce a new method for rendering subsurface scattering by taking advantage of frequency analysis and dual-tree traversal. Computing screen-space subsurface light transport, we can quickly analyze signal frequency and determine efficient bandwidths which we then use to limit our traversal through a shading/illumination dual-tree. Finally, we show a novel real-time diffuse global illumination scheme using dynamically updated irradiance probes. Thanks to efficient spherical radiance distribution updates, we can update irradiance probes at runtime, taking into consideration dynamic objects and changing lighting, and combine it with a more robust filtered irradiance query, making dense irradiance probe grids tractable in real-time with minimal artifacts.

Keyphrases: effets de distribution, transport de la lumière, dispersion sous la surface, rendu temps réel, distribution effects, light transport, subsurface scattering, real-time rendering