Interactive weathering for realistic image synthesis of urban environments

par Imanol Muñoz Pandiella

Thèse de doctorat en Informatique et applications

Sous la direction de Stéphane Mérillou et de Xavier Pueyo.

Soutenue le 05-12-2017

à Limoges en cotutelle avec l'Université de Gérone (Espagne) , dans le cadre de École doctorale Sciences et ingénierie pour l'information, mathématiques (Limoges ; 2009-2018) , en partenariat avec XLIM (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Michel Dischler.

Le jury était composé de Stéphane Mérillou, Xavier Pueyo, Carlos Andujar.

Les rapporteurs étaient Livio De Luca, Pierre Poulin.


  • Résumé

    Etre capable de capturer et de synthétiser des comportements réalistes est un sujet de recherche important en Informatique Graphique. Mais, pour produire des images réalistes, il ne suffit pas de représenter les matériaux de manière fiable, il faut également prendre en compte leurs évolutions dans le temps. La simulation des effets de vieillissement est le domaine de la recherche qui s’intéresse à la prise en compte de la détérioration des modèles virtuels. Après avoir étudié les travaux précédents dans ce domaine, nous avons constaté qu’il y a un manque d’estimation pour certains paramètres environnementaux importants ainsi qu’un besoin de modèles globaux qui tiennent compte des interactions des facteurs intervenants dans les grandes scènes. De plus, nous avons observées que l’amélioration des techniques actuelles nécessite intégrer les caractéristiques physiques réelles pour éviter la déconnection des processus réels, ce qui doit donc être analysés et compris. Dans cette thèse, nous visons à améliorer la simulation du vieillissement en Informatique Graphique sous les trois angles suivants. Concernant l’estimation des facteurs de vieillissement, nous proposons d’abord de traiter un facteur sous-estimé dans la littérature mais qui est très important dans les processus de vieillissement : le soleil. Plus spécifiquement, nous proposons une technique interactive qui estime l’exposition solaire sur des scènes urbaines détaillées. Compte tenu d’une carte d’exposition directionnelle calculée sur une période donnée, nous estimons le facteur de visibilité du ciel qui sert à évaluer l’exposition finale à chaque point visible. Ceci est fait en utilisant une méthode espace-écran basée sur une approche à deux échelles, qui est indépendante de la géométrie et qui a un coût bas en stockage. Notre méthode aboutit à une technique intéressante non seulement pour les simulations de vieillissement, mais également en architecture, dans la conception de bâtiments durables et dans l’estimation de la performance énergétique des bâtiments. Ensuite, nous introduisons un modèle global permettant de simuler les changements d’apparence des bâtiments liés aux dépôts de pollution. Ce processus est très visible sur les scènes urbaines et, jusqu’à présent, aucune technique n’a été proposée en utilisant une approche globale (sur une ville entière). Nous proposons ici une technique basée sur la physique considérant que les effets de la pollution dépendent de trois facteurs principaux : l’exposition au vent, à la pluie et au soleil. Cette approche prend en compte trois étapes : le dépôt, la réaction et le lavage. Avec un pré-calcul à bas coût, nous évaluons la distribution de la pollution dans la ville. Puis, par le biais d’opérateurs espace-écran, nous proposons une méthode efficace capable de générer des images réalistes en temps interactifs. De plus, le pré-calcul n’exige qu’une quantité réduite de mémoire pour stocker la carte de pollution et, comme la méthode utilisée est indépendante de la complexité de la scène, elle peut s’adapter à des modèles complexes et de grande taille en ajustant la résolution de la carte. Finalement, afin de mieux appréhender les processus de vieillissement, nous présentons une méthode permettant de prendre en compte l’effet d’écaillage sur les monuments en pierre avec très peu d’interaction de l’utilisateur.

  • Titre traduit

    Vieillissement interactif pour la synthèse d'image réaliste des environnements urbains


  • Résumé

    Being able to capture and synthesize realistic materials is an important research topic in Computer Graphics. In order to render realistic images it is not enough to represent materials reliably, but we also need to represent its temporal component. Simulation of weathering effects is the research area that pursues the incorporation of decay to virtual models. After studying the previous work, we have found that there is a lack of estimation methods for some important environmental parameters and a need of global models that consider the interactions of the environmental factors in big scenes. Moreover, we have observed that the improvement of current techniques need to incorporate real effects characteristics to avoid the current disconnection from the real processes. But, this need to be first analyzed and understood. In this thesis, we aim to improve weathering simulation in Computer Graphics in these three fronts. Concerning weathering factors estimation, we first propose to deal with an undervalued factor in weathering literature which is very important in aging processes: the sun. More specifically, we propose an interactive technique that estimates solar exposure on detailed urban scenes. Given a directional exposure map computed over a given time period, we estimate the sky visibility factor that serves to evaluate the final exposure at each visible point. This is done using a screen-space method based on a two-scale approach, which is geometry independent and has low storage costs. Our method results in an interesting technique not only in weathering simulations, but also in architecture, in sustainable building design and in the estimation of buildings’ energy performance. After that, we introduce a global model to simulate the changes of appearance of buildings due to pollution deposition. This process is very noticeable on urban scenes and, so far, no technique has dealt with it using a global approach. We propose a physically-based technique that considers pollution effects to depend on three main factors: wind, rain and sun exposure, and that takes into account three intervening steps: deposition, reaction and washing. With a low-cost pre-computation step, we evaluate the pollution distribution through the city. Based on this distribution and the use of screen-space operators, our method results in an efficient approach that generate realistic images of polluted surfaces at interactive rates. In addition, the pre-computation demands a reduced amount of memory to store the pollution map and, as it is independent from scene complexity, it can suit large and complex models adapting its resolution. Finally, in order to improve the understanding of weathering processes, we present a method to identify and map “scaling” weathering effects on stone monuments with very little user interaction.


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