Title: Etat de lArt des Problmes dEclairage inverse
1Etat de lArt des Problèmes dEclairage inverse
- POULINGEAS Patrick
- Laboratoire MSI
- Equipe Modélisation et Infographie Intelligente
2La problématique
- Les données
- La géométrie des éléments de la scène
- Les propriétés des matériaux
- Léclairage voulu pour certains éléments
Les calculs Les positions possibles des sources
lumineusesLes propriétés possibles des sources
lumineuses
Les résultats Les scènes obtenues avec les
sources lumineuses trouvées
3Les contextes possibles
- Léclairage réaliste dune pièce en
architecture. - Léclairage dun événement (par exemple une
exposition dans un musée) - Une photographie(par exemple pour une
publicité) - Une recherche artistique avec des jeux de
lumière - Etc.
4Les caractéristiques des algorithmes
- La nature de léclairage
- - direct
- - global
- Le modèle physique déclairement
- Les contraintes a priori sur les sources
lumineuses - positions fixées
- ensemble de positions possibles
- aucune contrainte
5Les modèles dillumination
- Le modèle de Phong
- La radiosité
- Le calcul de la radiance
6Articles utilisant le modèle de Phong
- Lights from Highlights and ShadowsP. Poulin, A.
Fournier1992 - Sketching Shadows and Highlights to Position
LightsP. Poulin, K. Ratib, M. Jacques1997
7Utilisation de zones fortement éclairées et de
volumes dombre(Poulin, Fournier. 1992)
- Eclairage direct
- Lumière directionnelles pour les zones fortement
éclairées ( highlights ) - Sources de lumières ponctuelles, linéaires ou
polygonales en plus avec lutilisation des
volumes dombre
8Utilisation de zones fortement éclairées(Poulin,
Fournier. 1992)
- On calcule les paramètres du terme spéculaire
- La direction de la source lumineuse (avec un
point indiquant lintensité lumineuse maximale
sur la surface) - Lexposant spéculaire (avec un second point et
une valeur de seuil donnant la limite de la zone
spéculaire) - On peut ensuite introduire dautres zones
fortement éclairées sur la même surface
9Utilisation de volumes dombre(Poulin, Fournier.
1992)
- Sources lumineuses directionnelles
10Utilisation de volumes dombre(Poulin, Fournier.
1992)
- Sources lumineuses ponctuelles Extension du
procédé employé pour une source directionnelle
11Utilisation de volumes dombre(Poulin, Fournier.
1992)
- Sources lumineuses linéaires ou polygonales
- On traite chaque sommet comme une source de
lumière ponctuelle - Eventuellement décomposition de la source
lumineuse et de lobjet O en parties convexes - Calcul denveloppes convexes (celles des volumes
dombre)
12Conclusion(Poulin, Fournier. 1992)
- Avantages
- La position de la source lumineuse nest pas
fixée a priori - Manipulation temps réel
- Inconvénients
- Eclairage direct uniquement
- Manipulation peu intuitive des volumes dombre ?
Il serait plus agréable de travailler sur les
ombres portées des objets
13Esquisses dombres portées et de zones fortement
éclairées(Poulin, Ratib, Jacques. 1997)
- Eclairage direct
- Plusieurs formes de sources lumineuses sont
gérées - Utilisation desquisses marquant le contour dune
ombre portée ou dune zone fortement éclairée - Recours à un système de contraintes et un procédé
doptimisation pour placer la source lumineuse
14Esquisses dombres portées (Poulin, Ratib,
Jacques. 1997)
- Cas dune source lumineuse ponctuelle
15Esquisses dombres portées (Poulin, Ratib,
Jacques. 1997)
- Cas dune source lumineuse ponctuelle
- La zone où lon peut placer la source lumineuse
est lintersection des régions admissibles
associées à chaque point desquisse. - Optimisation On maximise la distance entre la
source lumineuse et les points desquisse.
16Exemple de résultat (Poulin, Ratib, Jacques.
1997)
17Esquisses dombres portées (Poulin, Ratib,
Jacques. 1997)
- Traitement des sources lumineuses étendues
(linéaires, polygonales, polyédriques,
sphériques, etc.) - Esquisses de contour de lombre
- Esquisses de contour de la pénombre
- Pour lombre, tous les points de la source
doivent appartenir aux zones associées aux points
desquisses. - Pour la pénombre, au moins un point de la source
doit appartenir à chaque zone associée aux points
desquisses.
18Exemple de résultat (Poulin, Ratib, Jacques.
1997)
19Esquisses de zones fortement éclairées(Poulin,
Ratib, Jacques. 1997)
- Source lumineuse ponctuelle
- Même technique desquisse que précédemment
- Point desquisse ? Cône
- On essaie que la zone fortement éclairée soit
resserrée autour des points desquisse - Si lintersection des cônes est vide, on modifie
lexposant spéculaire pour avoir une solution
20Exemple de résultat (Poulin, Ratib, Jacques.
1997)
21Conclusion (Poulin, Ratib, Jacques. 1997)
- Avantages
- Interface utilisateur assez intuitive
- La position de la source de lumière nest pas
fixée a priori - Résultats satisfaisants, bons temps de calcul
- Inconvénients
- Restriction à une illumination directe
- Pas de description qualitative des objectifs
déclairage
22Articles utilisant la radiosité
- Painting with LightC. Schoeneman, J. Dorsey, et
alii1993 - Radioptimization Goal based RenderingJ.K.
Kawai, J.S. Painter, M.F. Cohen1993 - An Interactive System for Solving Inverse
Illumination Problems using Genetic AlgorithmsJ.
Elorza, I. Rudomin1997 - Computer Aided Lighting for Architects and
DesignersM. Contensin, J.-L. Maltret1997
23Détermination de lémittance à partir de patches
coloriés(Schoeneman, Dorsey, et alii. 1993)
- Position des sources lumineuses fixées a priori
- Lutilisateur peint des patches de la scène
- Le concepteur a une vue sur une scène contenant
ses souhaits et une autre avec la solution
trouvée - Recours à un algorithme doptimisation pour
satisfaire les désirs du concepteur - Une simple illumination directe est employée pour
faciliter linteractivité
24Principe de lalgorithme(Schoeneman, Dorsey, et
alii. 1993)
- Soient f1,,fn la contribution des n sources
lumineuses. Ce peut être - Des images obtenues avec un lancer de rayons
- La distribution de la radiance sur les surfaces
de la scène, reconstruite à partir de la
radiosité (utilisé ici) - Soit g la fonction correspondant à la scène
coloriée par lutilisateur - On se dote dun produit scalaire et on cherche
les coefficients ai minimisant
25La phase doptimisation(Schoeneman, Dorsey, et
alii. 1993)
- Avec une méthode des moindres carrés, on exprime
le problème sous forme matricielle Mab où a
est le vecteur des coefficients que lon
recherche - On résout le système associé à léquation
matricielle avec la méthode itérative de
Gauss-Seidel (légèrement modifiée) - Pour une modification dune couleur dun des
patches, on tient compte des valeurs déjà
obtenues (comme valeur de départ pour
Gauss-Seidel)
26Exemple de solution obtenue(Schoeneman, Dorsey,
et alii. 1993)
27Conclusion(Schoeneman, Dorsey, et alii. 1993)
- Avantages
- Interface utilisateur intuitive
- Bonne interactivité grâce à une vitesse de calcul
convenable - Inconvénients
- Pas de positionnement automatique des sources de
lumière (? conduit à un problème non linéaire) - Pas de spécification sous forme qualitative des
objectifs déclairage
28Radioptimisation(Kawai, Painter, Cohen. 1993)
- Utilisation de la radiosité hiérarchique
- Position des sources lumineuses fixées a priori
- Possibilité partielle de décrire qualitativement
l ambiance d une scène - Introduction possible de spots
- Utilisation d un algorithme d optimisation de
type quasi-Newton
29L interface utilisateur(Kawai, Painter, Cohen.
1993)
- Après un rendu de la scène, le concepteur peut
spécifier - Des contraintes sur les radiosités de certains
patches - Les variables du problème d optimisation
- l émissivité de certains patches
- la réflectivité de certains patches
- les paramètres des spots (direction et exposant)
- Les poids des fonctions de base composant la
fonction objectif à optimiser
30Les contraintes(Kawai, Painter, Cohen. 1993)
- Les contraintes physiques traduisant le système
d équations de la radiosité - Les contraintes spécifiées par l utilisateur et
portant sur les radiosités de certains patches - Les contraintes jouant un rôle de barrières
et garantissant la validité physique (Ex 0 ? ?
? 1)
31La fonction objectif(Kawai, Painter, Cohen. 1993)
- C est une combinaison linéaire des fonctions de
base, correspondant respectivement à - l énergie totale de la scène
- la brillance de la pièce, liée à des paramètres
physiques - une impression de clarté , ou d intimité ,
ou à un aspect agréable pour l utilisateur
(Elles sont issues de tests psycho-visuels) - des contraintes (On ajoute à la fonction objectif
des fonctions pénalisantes pour avoir un problème
d optimisation sans contraintes)
32La fonction objectif(Kawai, Painter, Cohen. 1993)
Termes physiques
Termes basés sur une perception subjective
33Méthode doptimisation BFGS(Kawai, Painter,
Cohen. 1993)
- Méthode de Newton Méthode de descente avec
comme direction -?2f(x)-1?f(x) où ? est le
gradient et ?2 le hessien de f - Méthode quasi-Newton
- On approxime le hessien (qui est difficile et
coûteux à calculer) - Exemple la méthode BFGS (Broyden-Fletcher-Goldfa
rb-Shanno)
34Conclusion(Kawai, Painter, Cohen. 1993)
- Avantages
- Description qualitative des objectifs
- Temps de calcul
- Défauts
- Possibilité de spécification de l ambiance très
limitée - Entrée de la fonction objectif peu intuitive
- Nécessité de rajouter des contraintes pour éviter
des minima locaux sans intérêt pour le concepteur
35Utilisation dun algorithme génétique(Elorza,
Rudomin.1997)
- Même approche que Schoeneman, Dorsey, et alii
On colorie des patches de la scène. - Utilisation de la radiosité hiérarchique
- Détermination du nombre, de la position et de
lémittance des sources lumineuses avec un
algorithme génétique
36Algorithme génétique(Elorza, Rudomin.1997)
- Individu chaîne binaire représentant le nombre
de lumières, et pour chacune delles, leur
émittance et leur position - Importance dun individu erreur RMS entre la
scène coloriée par le concepteur et celle qui
serait produite avec les paramètres de lindividu
37Exemple de résultat(Elorza, Rudomin.1997)
38Conclusion(Elorza, Rudomin.1997)
- Trop peu de détails sur lalgorithme génétique
- Scènes testées de taille modeste
- Temps de calcul élevés
- Résultats peu convaincants
39Pseudo-inversion par décomposition en valeurs
singulières(Contensin, Maltret. 1997)
- Illumination globale prise en compte
effectivement - Un ensemble de patches potentiellement émetteurs
fixé a priori - Technique dalgèbre linéaire et danalyse
numérique (pas un processus doptimisation)
40Principes de lalgorithme(Contensin, Maltret.
1997)
- On a 3 types de patches
- N1 patches avec une émittance éventuellement non
nulle (des sources de lumière potentielles) - N2 patches avec une émittance nulle dont la
radiosité sera calculée en fonction des
contraintes - N3 patches avec une émittance nulle et une
radiosité fixée (Ce sont donc les contraintes) - On exprime les équations de radiosité sous forme
matricielle et on effectue une pseudo-inversion
par décomposition en valeurs singulières
41Décomposition par valeurs singulières
(Contensin, Maltret. 1997)
- La matrice A est décomposée en 3 matrices
- A U S V
- U et V sont des matrices orthogonales et S une
- matrice diagonale.
- Les valeurs sur la diagonale de S sont appelées
- valeurs singulières
-
42Exemple de résultat(Contensin, Maltret. 1997)
43Conclusion(Contensin, Maltret. 1997)
- Avantage
- Méthode mathématique sûre
- Inconvénients
- Scènes de taille modeste (Lexemple contenait 228
patches) - Temps de calcul élevés
- Pas dinterface utilisateur développée
44Articles utilisant une évaluation de la radiance
- Optimisation and Lighting DesignA.C. Costa, A.A
Sousa, F.N. Ferreira1999 - Lighting Design a Goal based Approach using
OptimisationA.C. Costa, A.A Sousa, F.N.
Ferreira1999
45Evaluation de la radiance(Costa, Sousa,
Ferreira. 1999)
- Unités fonctionnelles de lapplication
- Analyseur de scripts, scripts écrits par le
designer et modélisant la fonction objectif - Radiance (Ward) pour le calcul de la radiance
- ASA un paquetage implémentant un algorithme de
recuit simulé
46Hypothèses pour la validité de la méthode(Costa,
Sousa, Ferreira. 1999)
- Milieu non participant
- BSDF symétrique ? permet la réversibilité des
calculs
47Les différents types de sources
lumineuses(Costa, Sousa, Ferreira. 1999)
- PL (Previous Luminaire) sources déjà présentes
dans la scène - IL (Inverse Luminaire) sources fictives servant
à modéliser les souhaits du concepteur - DL (Desired Luminaire) sources qui vont
produire léclairage voulu
48Principes de lalgorithme(Costa, Sousa,
Ferreira. 1999)
- Lutilisateur spécifie ses souhaits avec un
script - On évalue préalablement linfluence des PL sur
les IL - Les IL propagent de lénergie lumineuse dans la
scène - Calcul de la radiance en un point et selon une
direction donnée - Phase doptimisation Recuit simulé
49Recuit Simulé(Costa, Sousa, Ferreira. 1999)
- Minimiser une fonction f non convexe sur Rn
- Descente suivant le gradient de f xn1 xn
rn?f (xn) rn pas, dépendant de lalgorithme - Inconvénient on peut aboutir à un minimum local
- Recuit simulé on ajoute au second membre une
composante aléatoire telle que f(xn1) gt f(xn)
avec une probabilité pn ? 0 quand n ? ? - On donne au point xn la possibilité dexplorer
tout lespace avant de se mettre à descendre vers
un min
50Exemple de script(Costa, Sousa, Ferreira. 1999)
- (x1,x2,x3) position de la DL (x4,x5)
direction du spot (de la DL) - V Vector(FaceCenter,(x1,x2,x3)) Face désigne
le visage de la personne - If Angle(FacePerp,V) lt Vthreshold
and Angle(FacePerp,Dir(-x4,-x5)) lt Athreshold
return FAILURE - WIL1/DL1 Importance(SCENEIL1,x1,x2,x3,x4,x5)
- WIL2/DL1 Importance(SCENEIL2,x1,x2,x3,x4,x5)
- Return (K1 WIL1/DL1 K2 WIL2/DL1)
51Exemples de solutions(Costa, Sousa, Ferreira.
1999)
52Exemples de solutions(Costa, Sousa, Ferreira.
1999)
53Conclusion(Costa, Sousa, Ferreira. 1999)
- Avantages
- Prise en compte de beaucoup de types de
contraintes différentes (orientation, alignement
des sources, etc.) - Modèle dillumination évolué
- Inconvénients
- Script complexe que le concepteur doit programmer
- Temps de calcul élevés
54Conclusion
- Bonne interface utilisateur ? Peu de paramètres
intervenant pour les sources lumineuses - Beaucoup de paramètres pour les sources
lumineuses ? Interface peu intuitive - Beaucoup de techniques doptimisation
- Un seul article prend en compte une description
qualitative (partielle) de léclairage