Multiscale rain rendering and interaction with the natural environment in real-time

La représentation des phénomènes météorologiques est un enjeu essentiel en Informatique Graphique dans l’optique d’obtenir des scènes extérieures visuellement réalistes. Depuis quelques années, les chercheurs se sont penchés sur la simulation de la pluie en synthèse d’images. Ce mémoire a pour but de présenter deux méthodes de rendu : une première méthode pour le rendu de la pluie, et une seconde pour le rendu des égouttements provenant des arbres. Notre modèle de rendu de pluie est une méthode multi-échelle permettant de tenir compte des propriétés locales et globales de ce phénomène. Nous avons réussi à mettre en corrélation la densité des gouttes proches de l’observateur (échelle mésoscopique) avec l’atténuation de la visibilité (échelle macroscopique), en fonction d’un seul paramètre global cohérent : l’intensité des précipitations. Cette méthode a fait l’objet d’une publication [56] dans la revue Computers & Graphics en 2015. D’autre part, nous basons notre méthode pour le rendu des égouttements sur une approche phénoménologique. Une telle approche s’avère plus adaptée pour gérer les grands espaces, et présente l’avantage d’être indépendante de la complexité de la scène. L’approche choisie s’appuie sur des expérimentations et des mesures hydrologiques effectuées par des chercheurs spécialisés dans l’hydrologie des forêts. Nous proposons ainsi un modèle d’égouttement cohérent, tenant compte des propriétés intrinsèques à chaque type d’arbres. Cette méthode a fait elle aussi l’objet d’une présentation à la conférence Eurographics Symposium on Rendering (EGSR) ainsi qu’une publication [57] au journal Computer Graphics Forum (CGF) en 2016.This dissertation aims to present a coherent multiscale model for real-time rain rendering which takes into account local and global properties of rainy scenes. Our goal is to simulate visible rain streaks close to the camera as well as the progressive loss of visibility induced by atmospheric phenomena. Our model proposes to correlate the attenuation of visibility, which is due in part to the extinction phenomenon, and the distribution of raindrops in terms of rainfall intensity and camera's parameters. Furthermore, this method proposes an original rain streaks generation based on spectral analysis and sparse convolution theory. This allows an accurate control of rainfall intensity and streaks appearance, improving the global realism of rainy scenes. We also aim at rendering interactive visual effects inherent to complex interactions between trees and rain in real-time in order to increase the realism of natural rainy scenes. Such a complex phenomenon involves a great number of physical processes influenced by various interlinked factors and its rendering represents a thorough challenge in Computer Graphics. We approach this problem by introducing an original method to render drops dripping from leaves after interception of raindrops by foliage. Our method introduces a new hydrological model representing interactions between rain and foliage through a phenomenological approach. Our model reduces the complexity of the phenomenon by representing multiple dripping drops with a new fully functional form evaluated per-pixel on-the-fly and providing improved control over density and physical properties. Furthermore, an efficient real-time rendering scheme, taking full advantage of latest GPU hardware capabilities, allows the rendering of a large number of dripping drops even for complex scenes