Projet : SIAMES - Simulation d'éclairage et synthèse d'image

Mots clés : algorithmes parallèles, simulation d'eclairage, synthèse d'image, radiosité .

Photométrie : mesure des grandeurs physiques liees au rayonnement perçues par un observateur humain moyen caracterisé par une fonction de sensibilité.

Radiosité : flux émis par unite de surface ; on l'appelle aussi émittance.

Modèle d'illumination global : modèle décrivant les différentes et multiples interactions entre lumière et matière.

Luminance : flux émis par unité de surface projetée et par unité d'angle solide.

Résumé :

Depuis les années 1980, la synthèse d'image a abandonné la voie de l'empirisme pour prendre une direction réellement scientifique et rigoureuse en s'appuyant sur l'informatique, la physique, la radiométrie et la photométrie, les mathématiques, la perception visuelle... C'est en suivant cette direction qu'une simulation de la propagation de la lumière dans un environnement est possible. Cette approche de la simulation d'éclairage doit permettre à un éclairagiste d'évaluer avec précision les grandeurs radiométriques en tout point d'une scène afin d'évaluer différents critères de confort visuel et de visibilité. Cette approche physique de la simulation est celle suivie par notre équipe. Par ailleurs il est connu que la simulation d'éclairage (par la méthode de radiosité par exemple) est une tâche nécessitant beaucoup de ressources mémoire et de calcul. Sans une algorithmique spécifique, la simulation dans un environnement complexe est impossible à réaliser avec un seul processeur.

Ce domaine de recherche touche à la fois le calcul de vues à partir de vues, la réalité virtuelle et la réalité augmentée.

Simulation d'éclairage

L'objectif de la simulation d'éclairage est de simuler à l'aide des lois de la physique, les échanges lumineux entre les sources de lumière naturelles (ciel et soleil) ou artificielles (luminaires) et les différents constituants matériels d'un environnement. Cette simulation de l'éclairage compte deux objectifs principaux, permettre de simuler de manière précise la quantité de lumière émise en tout point d'un environnement et évaluer le confort visuel à l'intérieur d'une pièce et modifier les éclairages en conséquence.

Pour effectuer cette simulation, il est indispensable d'utiliser les modèles d'illumination globaux (équation de luminance) et les techniques avancées de synthèse d'images réalistes, telles que la radiosité et le lancer de rayon. Ainsi, à l'aide de ces méthodes, il est possible de calculer l'ensemble des flux lumineux distribués dans tout l'environnement (le résultat de cette simulation est la distribution des luminances). Il suffit alors, à partir de la description d'un observateur (position, direction du regard, sensibilité, ...), de calculer l'image des luminances telles qu'elles seront perçues par cet observateur placé dans cet environnement. Cette simulation nécessite la connaissance des propriétés physiques des matériaux et des sources de lumière (telles que la réflectance...) constituant la scène pour laquelle on veut réaliser l'éclairage. Ces propriétés sont soit mesurées soit données par un modèle.

L'approche suivie par notre équipe s'appuie sur la méthode de radiosité et de lancer de rayon. Elle est fondée sur la physique de la propagation d'énergie electromagnétique, utilise des luminaires réels et l'éclairage naturel, et fait appel à des outils mathématiques tels que : les techniques de projection, les ondelettes multirésolution, la méthode de Monte Carlo... Les critères de confort visuel utilisés sont ceux définis par la Commission Internationale de l'Eclairage.

La simulation d'éclairage reste une tâche très coûteuse en temps de calcul et en capacité mémoire, même pour des environnements de complexité modérée. En effet, cette simulation consiste en fait à résoudre une équation intégrale que nous projetons dans un espace fonctionnel engendré par une base d'ondelettes multirésolution. Cette projection implique le maillage des surfaces de la scène en plus petites surfaces appelées éléments de surface. De plus, de nombreuses structures de données sont mises en place pour représenter ce maillage et pour accélérer les calculs. Ceci nécessite une mémoire de stockage importante. Sans une algorithmique adaptée, ces techniques permettent de simuler l'éclairage dans des environnements de moyenne complexité (une ou deux pièces dans un bâtiment) mais pas de traiter des bases de données plus conséquentes telles que des immeubles de plusieurs étages.

Une autre solution consiste à calculer des images d'une scène réelle ou virtuelle à partir de plusieurs images acquises à l'aide d'une caméra. Trois points sont étudiés. Le premier concerne la représentation de la scène à l'aide de primitives géométriques reconstruites ou de cartes de profondeur. Ce point concerne aussi l'extraction de textures indépendamment des ombres et des reflets. Le deuxième point traite du problème de rendu des scènes ainsi représentées : il s'agit de se déplacer dans ces scènes en temps réel et d'insérer des objets virtuels. L'objet du troisième point est d'estimer les conditions d'éclairage ainsi que les réflectances des objets afin de pouvoir recalculer la même scène éclairée de manière différente et d'homogénéiser l'éclairage entre les objets virtuels et réels.