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Emission et propagation des particules

diffuse. Cette int´egration permet de tenir compte simplement de la contribution des

particules, et de traiter ainsi efficacement tous les cheminsL

(

D

j

S

)

D.

Pour l’affichage, une ´etape de lissage de la solution de radiosit´e est n´ecessaire.

Ensuite, la solution peut ˆetre rendue interactivement en utilisant OpenGL (solution

L

(

D

j

S

)

DE), ou par un lancer de rayons (solutionL

(

D

j

S

)

E), ou une combinaison

des deux (un lancer de rayons ne calculant que

(

L

j

D

)

S

E).

3 Int ´egration des deux algorithmes

Pour pouvoir lancer des particules afin de simuler des transferts non diffus, nous

al-lons introduire une ´etape modifi´ee de transfert, dans laquelle les particules sont ´emises

et propag´ees dans l’environnement, suivie d’une ´etape modifi´ee de “Push/Pull”, dans

laquelle les particules sont positionn´ees au juste niveau hi´erarchique. Comme les

par-ticules sont ´emises dans un espace restreint d´efini par un lien, il faut aussi pouvoir

d´eterminer le nombre de particules `a envoyer, ainsi que leur ´energie propre.

L’initialisation de l’algorithme est identique `a celle d’une m´ethode hi´erarchique

avec regroupement : la hi´erarchie avec groupes est tout d’abord construite en utilisant

l’approche pr´esent´ee dans le chapitre Chap. 3, puis un lien est cr´e´e du sommet de

la hi´erarchie vers lui-mˆeme[Sil95]. Pour pouvoir tenir compte des transferts non

dif-fus, une fonction de r´eflexion g´en´eralis´ee, ou BSDF [Vea97], est stock´ee sur chaque

´el´ement hi´erarchique. Nous utilisons la repr´esentation mixte diffus/directionnel du

mod`ele [LW94], qui permet de choisir stochastiquement si une r´eflexion sera diffuse

ou pas. Ce choix se fait sur le pourcentage diffus/directionnel d´efini par la propri´et´e

du mat´eriau. Seul un groupe (“cluster”) ne contenant que des ´el´ements diffus peut ˆetre

consid´er´e comme diffus.

3. Int´egration des deux algorithmes 53

3.1 Emission de particules´

Une grande partie de l’algorithme d´ecrit ci-dessus r´eside dans l’´emission et la

r´eflexion des particules. Nous allons maintenant d´ecrire comme prendre en compte

l’´energie qui passe `a travers un lien `a l’aide des particules. Ces particules vont devoir

repr´esenter une bonne estimation du flux circulant `a travers ce liens.

Pour estimer stochastiquement le flux ´emis par une surface (cf. Chap. 2-Eq. 2.4),

c’est `a dire

Φs

+

S

= Z

S

Z

+ (

s

)

L

(

s

;

ω

)<

ω

n

>

dωds

ceci par npparticules ´emises selon une densit´e probabilit´e p

(

s

;

ω

)

, chacune d’elles doit

avoir une ´energie de[Vea97, Wal98]:

φi

=

L

(

si

;

ωi

)<

ωi

ns

i>

np p

(

si

;

ωi

)

(4.2)

Ainsi, l’estimateur du flux ´emisΦn

p = P

n

p

i

=1

φiest sans biais (cf. Chap. 2) :

E

[

Φn

p] =

E

h P

n

p

i

=1

L

(

s

;

ω

)<

ω

n

s>

n

p

p

(

s

;

ω

) i = 1

n

p P

n

p

i

=1

E

h

L

(

s

;

ω

)<

ω

n

s>

p

(

s

;

ω

) i = 1

n

p P

n

p

i

=1 R

S

R

+ (

s

)

L

(

s

;

ω

)<

ω

n

s>

p

(

s

;

ω

)

p

(

s

;

ω

)

(

x

;

w

) = R

S

R

+ (

s

)

L

(

s

;

ω

)<

ω

ns

>

dωds

=

Φs

+

S

Consid´erons maintenant l’´energie L

(

s

;

r

)

quittant le point s d’un ´emetteur S et

pas-sant au point r d’un r´ecepteur R. En utilipas-sant la notation de Sillion[Sil95], dans le cadre

d’une hi´erarchie g´en´erale, le flux entre deux ´el´ements hi´erarchiques est :

ΦRS

=

FRFS

Z

S

Z

R

L

(

s

;

r

)

τRrEs

k

s

-

r

k 2

dr ds (4.3)

o`u Rr est

1

pour les groupes et cosθi pour les surfaces, Es est

1

pour les groupes et

cosθo pour les surfaces, FS, FR sont des facteurs d’´echelles pour tenir compte des

cas volumiques, valant

1

pour les surfaces et

1

4

pour les groupes . Enfin, τ est

l’ab-sorption pour des milieux participants. Les valeurs cosθi et cosθo sont les cosinus de

l’angle entre la direction de propagation et la normale respectivement de l’´emetteur et

du r´ecepteur (cf. Chap. 2-Sec. 2.4 et Chap. 2-Tab. 2.2).

Dans le cadre d’un algorithme de radiosit´e, L

(

s

;

r

)

s’exprime sous la forme :

L

(

s

;

r

) =

BS

π (4.4)

54 Chapitre 4: Nouvelle m´ethode unifi´ee

Ainsi, l’´equation (4.3) devient

ΦRS

=

BSFRSAR (4.5)

o`u BS est la radiosit´e de S et FRS, le facteur de forme (sans la visibilit´e) entre S et R.

AR est le facteur d’aire d´efini dans[Sil95](cf. Tab. 2.2). Si le fluxΦRSest estim´e avec

nRSparticules d’´energie constanteφct, sa valeur est alors :

ΦRS

=

nRSφct (4.6)

Nous pouvons alors choisir le nombre de particules `a envoyer `a l’aide de l’´egalit´e

suivante :

nRS

=

BSARFRS

φct

(4.7)

Pour un lien donn´e, le facteur de forme, le facteur d’aire, et la radiosit´e de la source sont

des donn´ees connues. Mais ce nombre ne permet pas de prendre en compte la totalit´e

du flux `a cause de l’approximation n´ecessaire vers une valeur enti`ere. Le r´esidu sur le

flux est alors

res

=

BSARFRS

φct

-

nRS (4.8)

Nous pouvons constater ainsi que res appartient `a l’intervalle

[0;1[

. Ce r´esidu est ainsi

consid´er´e comme la probabilit´e d’´emission d’une particule suppl´ementaire d’´energie

φct.

Dans le cas de particules d’´energie constante, la loi de probabilit´e d’´emission est

alors, en utilisant les ´equations Eq. (4.2) et (4.3), et dans le cas d’un radiosit´e constante

par ´el´ement :

p

(

s

;

r

) =

L

(

s

;

r

)

F

R

F

S

τR

r

E

s k

s

-

r

k 2 1

n

RS

φ

ct = BS π

F

R

F

S

τR

r

E

s

Φ

RSk

s

-

r

k 2 =

B

S

F

R

F

S

τR

r

E

s

πB

S

F

RS

A

Rk

s

-

r

k 2

p

(

s

;

r

) =

F

R

F

S

τR

r

E

s k

s

-

r

k 2

πF

RS

A

R

(4.9)

Deux lois d´erivent de cette derni`ere, une pour choisir un point s sur l’´emetteur S (p

0 (

s

)

)

et l’autre pour choisir un point r sur le r´ecepteur R, connaissant d´ej`a le point s

0

sur S,

soit p

0 (

r

=

s

=

s

0 )

:

8 > < > :

p

0 (

s

) =

F

sR

A

R

F

RS

p

0 (

r

=

s

=

s

0 ) = <(

r

-

s

0 )

n

s0 ><(

s

0 -

r

)

n

r>

πF

s Rk

r

-

s

0 k 4

(4.10)

3. Int´egration des deux algorithmes 55

Dans ces ´equations, FsR est le facteur de forme du point s vers l’´el´ement R. Ces

´equations sont r´eciproques et il est possible de choisir d’abord un point r sur le

r´ecep-teur puis sur la source s. Les ´equations pr´ec´edentes deviennent :

8 > < > :

p

0 (

r

) =

F

rS

A

S

F

SR =

F

rS

A

R

F

RS

p

0 (

s

=

r

=

r

0 ) = <(

r

0 -

s

)

n

s><(

s

-

r

0 )

n

r0 >

πF

r0Sk

r

0 -

s

k 4

(4.11)

Malheureusement, l’utilisation de ces ´equations se r´ev`ele tr`es complexe, voire

im-possible. En effet, elles n´ecessitent la possibilit´e de pouvoir calculer de mani`ere exacte

le facteur de forme sur des objets quelconques. Dans ce contexte, il est pr´ef´erable

d’uti-liser des particules d’´energies diff´erentes. Mais cela cr´ee des solutions beaucoup plus

bruit´ees (la pr´ecision des m´ethodes de reconstruction ne d´epend en g´en´eral que de la

densit´e de particules).

Ainsi, pour chacune des nRSparticules, un point s et un point r sont d´etermin´es par

une loi uniforme sur respectivement S et R, p

(

r

)=

1

µ

(

R

)

et p

(

s

)= 1

µ

(

S

)

o`u µ

()

est l’aire

pour une surface et le volume pour un groupe. Les deux tirages ´etant ind´ependants, la

probabilit´e de choisir un couple points

(

r

;

s

)

est alors :

p

(

r

;

s

) = 1

µ

(

R

)

µ

(

S

)

(4.12)

L’´energie de la particule devient ainsi (cf. Eq. 4.2) :

φrs

=

L

(

s

;

r

)

SRSSµ

(

R

)

µ

(

S

)

τRrEs

k

s

-

r

k 2

nRS (4.13)

Toutes les particules peuvent ˆetre absorb´ees ou r´efl´echies de mani`ere diffuse, si le

r´ecepteur poss`ede une composante diffuse et directionnelle dans sa BSDF. Ces

trans-ferts ´etant pris en compte par la radiosit´e, ces propagations ne sont pas effectu´ees. Nous

ne propageons et stockons que les particules qui sont r´efl´echies selon la composante

directionnelle.

3.2 Placement hi´erarchique des particules

Les effets sp´eculaires correspondent souvent `a des hautes fr´equences dans la

so-lution d’´eclairage. Intuitivement, cela correspond `a des zones de forte concentration

de particules. Pour les d´etecter, nous utilisons un “crit`ere d’´etalement” : si la

concen-tration ´energ´etique des particules repr´esente une faible proportion du facteur d’aire

de l’´el´ement les supportant (cf. Fig. 4.4), alors il faut descendre les particules dans la

hi´erarchie.

Lors de la travers´e de la hi´erarchie, pour un ´el´ement nous avons n particules,

cha-cune d’´energie φi et `a la position xi. Nous d´efinissons un centre c comme la

posi-tion moyenne pond´er´ee par l’´energie des particules. Nous d´efinissons aussi un “crit`ere

56 Chapitre 4: Nouvelle m´ethode unifi´ee