Modélisation et rendu spectraux efficaces de matériaux iridescents : de la photonique à l'Informatique graphique

Efficient spectral modeling and rendering of Iridescent materials : from photonics to computer graphics

• Auteur / Autrice : Gary Fourneau
• Direction : Pascal Barla, Romain Pacanowski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 18/12/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et informatique (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire bordelais de recherche en informatique
• Jury : Président / Présidente : Xavier Granier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Doris Gomez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mathieu Hébert, Adolfo Munoz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Apparence

Photonique

Irisation

Infographie

Mots clés libres

Spectral

Informatique Graphique

Iridescence

Photonique

Matériaux

Apparence

Spectral

Computer Graphics

Iridescence

Photonics

Materials

Appearance

Résumé

Cette thèse traite de la modélisation et du rendu spectraux efficaces des matériaux iridescents, tels que les miroirs de Bragg et les cristaux liquides cholestériques (CLC), pour des applications en informatique graphique. Ces matériaux présentent une coloration structurelle vive due à leur périodicité nanostructurée, qui provoque des interactions complexes entre la lumière et la structure du matériau. Modéliser ces interactions avec précision est essentiel pour obtenir des rendus réalistes générés par ordinateur. Cependant, les détails spectraux fins impliqués sontPour les miroirs de Bragg, constitués de couches diélectriques alternées, nous présentons un modèle basé sur la solution analytique de Pochi Yeh pour calculer la réflectance spectrale. Ce modèle capture avec précision les effets iridescents des miroirs de Bragg en se concentrant sur les bandes interdites photoniques qui définissent leurs régions de haute réflectivité. Afin de concilier précision physique et rendu en temps réel, nous avons développé une approximation simplifiée qui permet une intégration efficace dans des pipelines de rendu en RGB. De plus, nous avons intégré un modèle BRDF qui prend en compte la rugosité de surface et la diffusion selon le modèle microfacette, assurant que l'apparence des miroirs de Bragg reflète les imperfections réelles, telles que les interfaces stratifiées rugueuses.Les cristaux liquides cholestériques (CLC), qui reflètent sélectivement la lumière polarisée circulairement, présentent une complexité supplémentaire en raison de leur structure moléculaire hélicoïdale. Nous avons utilisé l’Approximation à deux ondes (TWA) pour modéliser la réflectance spectrale des CLC, fournissant un moyen efficace de simuler leurs propriétés optiques. Cette approche simplifie la représentation des interactions lumineuses au sein de la structure hélicoïdale, capturant les principales caractéristiques de réflectance responsables de leurs effets visuels uniques. En complément, nous avons développé un modèle BRDF pour les CLC, qui simule les imperfections au niveau des domaines notament que les variations dans l'orientation de l'axe optique, rendant le rendu de ces matériaux à la fois précis et réalisable en temps interactif.En conclusion, cette thèse introduit de nouveaux modèles spectraux pour les miroirs de Bragg et les CLC, à la fois précis et efficaces. Ces modèles facilitent le rendu des effets iridescents complexes dans des moteurs de rendu standard, permettant une interaction en temps réel et une exploration visuelle de ces matériaux. Nos contributions fournissent une base pour de futurs progrès dans la simulation réaliste des matériaux iridescents en infographie.

This thesis focuses on the efficient spectral modeling and rendering of iridescent materials, such as Bragg mirrors and Cholesteric Liquid Crystals, for computer graphics applications. These materials exhibit vivid structural coloration due to their nanostructured periodicity, which causes complex interactions between light and the material surface. Accurately modeling these interactions is crucial for achieving realistic renderings in visual simulations. yet it is computationally challenging due to the fine spectral details involved.For Bragg mirrors, which consist of alternating dielectric layers, we introduce a model based on Pochi Yeh's analytical solution for calculating spectral reflectance. This model accurately captures the iridescent effects of Bragg mirrors by focusing on the photonic band gaps that define their high reflectivity regions. To bridge the gap between physical accuracy and real-time rendering, we developed a simplified approximation that enables efficient integration into RGB-based rendering pipelines. Additionally, we incorporated a BRDF model that accounts for surface roughness and microfacet scattering, ensuring that the appearance of Bragg mirrors reflects real-world imperfections, such as rough layered interfaces.Cholesteric Liquid Crystals (CLCs), which naturally exhibit selective reflection of circularly polarized light, present additional complexity due to their helical molecular structure. We employed the Two-Wave Approximation (TWA) to model the spectral reflectance of CLCs, providing a computationally efficient means to simulate their optical properties. This approach simplifies the representation of light interaction within the helical structure, capturing the eflectance features responsible for their unique visual effects. To complement this, we developed a BRDF model for CLCs, which simulates domain-level imperfections and variations in optical axis orientation, making the rendering of these materials both accurate and feasible in real-time applications.In conclusion, this thesis introduces novel spectral models for Bragg mirrors and CLCs, which are both physically accurate and computationally efficient. These models facilitate the rendering of complex iridescent effects within standard rendering engines, enabling real-time interaction and visual exploration of these materials. Our contributions provide a foundation for future advancements in the realistic simulation of iridescent materials in computer graphics.