Theory and numerical integration of subsurface light transport

En synthèse d’images, reproduire les effets complexes de la lumière sur des matériaux transluminescents, tels que la cire, le marbre ou la peau, contribue grandement au réalisme d’une image. Malheureusement, ce réalisme supplémentaire est couteux en temps de calcul. Les modèles basés sur la théorie de la diffusion visent à réduire ce coût en simulant le comportement physique du transport de la lumière sous surfacique tout en imposant des contraintes de variation sur la lumière incidente et sortante. Une composante importante de ces modèles est leur application à évaluer hiérarchiquement l’intégrale numérique de l’illumination sur la surface d’un objet. Cette thèse révise en premier lieu la littérature actuelle sur la simulation réaliste de la transluminescence, avant d’investiguer plus en profondeur leur application et les extensions des modèles de diffusion en synthèse d’images. Ainsi, nous proposons et évaluons une nouvelle technique d’intégration numérique hiérarchique utilisant une nouvelle analyse fréquentielle de la lumière sortante et incidente pour adapter efficacement le taux d’échantillonnage pendant l’intégration. Nous appliquons cette théorie à plusieurs modèles qui correspondent à l’état de l’art en diffusion, octroyant une amélioration possible à leur efficacité et précision.In image synthesis, reproducing the complex appearance of objects with subsurface light scattering, such as wax, marble and skin, greatly contributes to the realism of an image. Unfortunately, this added realism comes at a high computational cost. Models based on diffusion theory aim to reduce this computational cost by simulating the physical behaviour of subsurface light scattering while imposing smoothness constraints on the incident and outgoing light fields. An important component of these models is how they are employed to hierarchically evaluate the numerical integral of lighting over the surface of an object. This thesis will first review the existing literature on realistic subsurface lighting simulation, before investigating in more depth the application and extension of modern diffusion models in image synthesis. In doing so, we propose and evaluate a new hierarchical numerical integration technique that uses a novel frequency analysis of the incident and outgoing light fields to reliably adapt the sampling rate during integration. We realize our resulting theory in the context of several state-of-the-art diffusion models, providing a marked improvement in their efficiency and accuracy