Cette page offre un bref aperçu des travaux réalisés au cours de mon doctorat de 2021 à 2024 encadré par Christophe RENAUD et François ROUSSELLE au LISIC.

Pour plus de détails, le manuscrit accompagné d'un résumé est accessible ici.

Cette thèse a donné lieu à trois publications:

  • Quentin Huan, François Rousselle, Christophe Renaud. Parabolic Sphere Tracing of Signed Distance Field, IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 2025
  • Quentin Huan, François Rousselle, Christophe Renaud. Optimised Light Rendering through Old Glass, 2023
  • Alexander Josse, Quentin Huan, François Rousselle, Christophe Renaud, Real-time rendering of old glass panes, 2025

    • Présentation du sujet

    Cette thèse d'informatique graphique avait pour objectif d'améliorer la modélisation et la simulation optique de verre soufflé, tels qu'on les retrouve dans les vitraux ou les fenêtres anciennes.

    Fig.1 : Verre soufflé en cive.

    Contrairement aux vitrages modernes parfaitement plats et transparents, les verres soufflés présentent d'importantes irrégularités (bosses, bulles, composition hétérogène ...) qui produisent des effets d'éclairage complexes. Ces effets sont particulièrement visibles lorsque l'on regarde au travers d'une fenêtre en verre soufflé, ou lorsque le soleil passe au travers.

    Fig.2 : Effet lumineux produit par le soleil passant au travers d'une vitre en verre soufflé.

    Ces vitres particulières équipaient les bâtiments de la Renaissance à la fin du XIXe siècle, pour certain disparu.

    Leur simulation est d'un intérêt particulier pour les historiens puisqu'elle est un outil puissant pour comprendre le rapport entretenu par nos anciens avec la lumière.

    Une collaboration entre historiens et chercheurs en informatique graphique au sein de l'ANR Fablight vise la simulation physique de l'éclairage existant dans ces bâtiments aujourd'hui disparus, ainsi que l'utilisation de moteur de rendu temps réel (Unreal Engine 5) pour permettre une visualisation interactive.

    Travaux

    Ces effets d'éclairage sont cependant complexes à calculer par les méthodes modernes de simulation physique d'éclairage comme le tracé de chemins qui demandent un temps de calcul prohibitif se comptant en dizaines d'heures.

    Mes travaux se sont développés sur trois axes principaux:

  • La modélisation de ces verres comprenant une surface irrégulière, un indice de réfraction non homogène (gradient d'indice de réfraction), des bulles.
  • La simulation physique d'éclairage efficace de ces matériaux complexes.
  • Leur simulation optique en temps réel.

    • Modélisation

    Ces trois objectifs ont abouti à la mise en place d'une représentation unifiée du verre permettant à la fois sa représentation géométrique et la simulation de son comportement optique.

    Ce modèle a été intégré dans des logiciels de simulation d'éclairage à visé de recherche tels que https://www.mitsuba-renderer.org/.

    Fig.3 : Modélisation d'un panneau de verre par un champ de distance signé (vue en coupe, la surface est représenté par le trait noir gras).

    Notre modèle permet le découpage et l'assemblage de facettes de verre, permettant de représenter facilement des vitres et des vitraux.

    Fig.4 : Simulation d'un vitrail de style moderne (10h de calcul, Nvidia RTX A6000).

    Simulation d'éclairage

    L'utilisation de résultats de tracé de rayons non linéaires utilisés en sismologie nous a permis de généraliser la méthode de simulation https://rgl.epfl.ch/publications/Zeltner2020Specular (correspondant à la méthode de référence pour le transport spéculaire de la lumière au début de la thèse) aux milieux à gradient d'indice de réfraction tels que le verre soufflé.

    Cette méthode permet un calcul entre 10 et 100 fois plus rapide des effets d'éclairage comparé au tracé de chemins brute force.

    Fig.5 : Comparaison de notre méthode (BFGS) avec une méthode de tracé de chemins pour une minute de calcul. L'image de droite correspond à une vérité terrain calculée par tracé de chemins.Les images de référence à 10M d'échantillons par pixel (spp) ont nécessité environs 10h de calcul sur une Nvidia RTX A6000.

    La gestion de ces milieux hétérogènes parfaitement transparents remet en cause l'hypothèse implicite que les rayons lumineux suivent des trajectoires rectilignes (hypothèse largement exploitée par les moteurs de rendu). Elle nécessite donc une coûteuse opération de tracé de rayon non linéaire dans le milieu hétérogène, ce qui explique peut être en partie pourquoi ces aspects sont souvent laissés de côté. Nos travaux dans ce domaine constituent une première tentative dans la simulation efficace et non biaisé des effets d'éclairage produits par ces matériaux.

    Ces travaux ont fait l'objet de deux publications:

  • Optimised Light Rendering through Old Glass. WSCG 2023. Nous présentons une reformulation de la méthode de calcul de d'éclairage produit par des objets transparent et homogènes représenté par des maillages https://rgl.epfl.ch/publications/Zeltner2020Specular. Notre méthode est formulé pour des surfaces implicites et utilise le principe de Fermat. Nous montrons que cela permet un gain de performance significatif pour notre cas d'usage.
  • Parabolic Sphere Tracing of Signed Distance Field, IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, (soumis en Juillet 2024). Dans la continuité de l'article précédent, nous exploitons des résultats de sismologie pour généraliser la méthode aux milieux transparents à gradient d'indice de réfraction.

    • Adaptation au rendu temps réel

    L'implémentation de notre modèle de verre au sein de moteur de rendu temps réel comme l'Unreal Engine 5 a été réalisée par Alexander JOSSE au cours de son stage de fin d'étude.

    Une application prototype (OpenGL) réalisée par mes soins a servi de base de travail. Si cette adaptation laisse de côté la simulation d'éclairage à proprement parler, elle permet de représenter fidèlement l'allure d'une vitre en verre soufflé lorsque l'on regarde à travers.

    Fig.6 : Rendu temps réel de vitraux dans une application OpenGL.
    Fig.7 : Nous observons les irrégularités de surface, un indice de réfraction variable et des bulles.
    Fig.8 : Notre modèle de vitre au sein d'Unreal Engine 5.

    Ce travail à donné lieu à la publication:

  • Real-time rendering of old glass panes, Digital Heritage Congress, 2025 (à paraître)

    • Applications

    Nous avons appliqué nos travaux à des projets de restitution menés par l'équipe IMAP du https://www-lisic.univ-littoral.fr/ de Calais en collaboration avec l'institut de recherche historique https://irhis.univ-lille.fr/ de Lille.

    D'autres applications seront menées dans un futur proche dans le cadre de l'ANR Fablight.

    Fig.8 : Restitution d'une boutique du pont Notre-Dame à Paris au XVIIIe siècle. Avec du verre moderne, à droite avec notre modèle de verre soufflé.
    Fig.9 : Restitution d'une boutique du pont Notre-Dame à Paris au XVIIIe siècle. Avec notre modèle de verre soufflé.
    Fig.10 : Restitution d'une lanterne à sceau du pont Notre-Dame à Paris au XVIIIe siècle (ANR Fablight).

    La distribution de notre travail au sein d'un plugin pour l'Unreal Engine 5, moteur largement utilisé dans le milieu du jeu vidéo, permettra la réutilisation de nos outils dans un cadre applicatif plus vaste.