Sujet de stage

RESPONSABLE: Fabrice NEYRET
EQUIPE: EVASION / GRAVIR
CONTACT: Fabrice.Neyret@imag.fr
 

Titre

Rendu réaliste de nuages en temps réel 

Mots-clés

synthèse d'images, phénomènes naturels, simulation de l'éclairage en volume, simulation phénoménologique.  

Motivations

La simulation des phénomènes naturels intéresse depuis longtemps les chercheurs en synthèse d'image. Leur richesse visuelle découle souvent d'une grande complexité de comportement ou d'apparence; c'est ce qui engendre leur intérêt applicatif, la motivation de ceux qui les étudient, et le défi scientifique que constitue leur simulation. Parmi eux figurent en bonne place les fluides, et en particulier les nuages. On s'intéresse ici aux cumulus, dont les formes sont visuellement particulièrement riches.

Bien que l'objectif des techniques de synthèse d'images soit de produire des comportements et aspects plausibles et non quantitativement précis, une tendance courante est de recourir aux équations de la physique et aux méthodes de résolution numérique pour les simuler, profitant ainsi des avancées d'autres disciplines en matière de simulation.

Dans le cas des nuages, cette démarche comporte de nombreux inconvénients:
  • Résoudre les équations de l'illumination volumique dans le cas général (réflexions anisotropes multiples en volume) est particulièrement coûteux,
  • d'autant plus que les scènes naturelles requièrent à la fois des domaines larges et une résolution fine.
  • Des nuages denses comme les cumulus, on ne voit en fait que l'interface avec l'air transparent environnant. Dés lors, à quoi bon simuler finement l'intérieur ?
  • Les variations de couleurs sont faibles et étalées, et une erreur importante est souvent peu perceptible. Réciproquement, la finesse des détails est essentielle au réalisme. On souhaite donc avoir une résolution élevée sans pour autant alourdir les calculs numériques.
Afin d'éviter toutes ces difficultés, nous souhaitons adopter une approche phénoménologique, basée sur la modélisation directe des phénomènes lumineux émergents, en tenant compte de la connaissance a priori: un cumulus n'est pas une distribution aléatoire de densité. L'intérieur est très dense, la transition entre intérieur et extérieur sont très contrastée (épaisseur < 10m), le taux d'absorption négligeable, et les formes extérieurs sont stéréotypées (composition de lobes sphériques à diverses échelles). De plus la phénoménologie des cumulus est facilement observable: un cumulus bien formé est d'un blanc très lumineux, cependant seul le coté éclairé apparaît contrasté, la corolle du nuage s'illumine quand le soleil est proche de l'axe optique, les creux entre les lobes apparaissent plus lumineux...
 

Objectifs du stage

Ce stage s'inscrit dans un projet plus vaste: la simulation réaliste temps-réel complète d'un ciel chargé de cumulus, pour laquelle les trois problèmes que constituent la modélisation de la forme, du mouvement comme de l'aspect visuel (rendu) des nuages sont tous particulièrement difficiles. Ce projet s'inscrit lui-même dans la thématique de l'équipe, consacrée au traitement des scènes naturelles.

On s'intéresse ici essentiellement au rendu des cumulus. Cependant comme il faut bien une forme de support, il faudra commencer par construire une forme (statique) crédible sur laquelle appliquer la simulation visuelle. Comme ce problème est en soit un défi susceptible de constituer un sujet à part entière, on ne cherchera pas à ce stade une solution générique mais juste une instance permettant de travailler.

Il s'agira ensuite de créer un modèle permettant de simuler de façon plausible l'illumination en tout point de la 'surface' du nuage, en temps interactif, dans diverses situations d'éclairage (incidence du soleil et de l'observateur, couleur du ciel et du sol, éventuellement nébulosité environnante...). Ce modèle devra reproduire les propriétés phénoménologiques mentionnées plus haut.

Trois 'ingrédients' principaux pourront être utilises:
  • modèle d'illumination explicite ('shader') obtenu par intégration analytique de la physique en prenant en compte les connaissances a priori et quelques hypothèses simplificatrices;
  • shader purement phénoménologique reproduisant les observations sans justification physique explicite;
  • simulation physique simplifiée (par exemple à échelle grossière), typiquement quand aucune estimation analytique ne convient (en particulier pour estimer les ombres portées).
Autant que possible on privilégiera la première modalité, la seconde posant le problème de la validation des observations (peu habituelle dans notre discipline) et la troisième risquant d'handicaper le temps de calcul.
 

Résultats attendus

Théoriques:
  • modèle d'illumination pour les cumulus;
  • algorithme permettant de construire cette illumination en tout point;
  • représentation des cumulus compatible avec cet algorithme.
Pratiques:
  • conception d'une instance géométrique (forme de nuage);
  • Implémentation d'une maquette logicielle en C ou C++, sous OpenGL, permettant de visualiser en temps interactif
  • le rendu du nuage (avec si possible son environnement).