PROPOSITION DE SUJET


RESPONSABLE: Fabrice NEYRET
ÉQUIPE: Evasion (ex-iMAGIS) / GRAVIR - IMAG / INRIA
CONTACT: Fabrice.Neyret@imag.fr_

TITRE: Simulation d'un ruisseau

MOTS-CLÉ: synthèse d'images, réalité virtuelle, phénomènes naturels, simulation à bases physiques, simulation phénoménologique, mécanique des fluides.

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 l'eau.
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 fluides, cette démarche comporte de nombreux inconvénients:
- Résoudre les équations de Navier-Stokes dans le cas général en 3D est particulièrement coûteux,
- d'autant plus que les scènes naturelles requièrent souvent à la fois des domaines larges et une résolution fine.
- Pour les nuages comme pour l'eau, on ne voit souvent que l'interface du fluide et du milieux environnant. Dés lors, à quoi bon simuler finement l'intérieur ?
- D'un écoulement d'eau, on ne voit en général que des indices secondaires du mouvement (vagues, ondes de surface, objets dérivants). Dés lors, à quoi bon simuler des grandeurs invisibles ?
- ces indices secondaires sont des phénomènes émergeants des équations de Navier-Stokes dans son cas le plus général (non-linéaire, compressible, grandes vitesses, etc). Ils sont donc délicats et coûteux à obtenir.
- Pour la même raison, bien que ces phénomènes détiennent le _sens_ de ce que l'on perçoit de l'écoulement, il est extrêmement difficile de contrôler directement leurs caractéristiques, alors que l'une des propriétés essentielles d'une technique de synthèse d'images est sa contrôlabilité par l'utilisateur.

Afin d'éviter toutes ces difficultés, nous souhaitons adopter une approche phénoménologique, basée sur la modélisation directe des phénomènes émergents. Paradoxalement, il existe une connaissance physique assez ancienne de ces phénomènes (étude des régimes fluviaux, étude des instabilités), sur laquelle on peut se fonder.

OBJECTIF DU STAGE:

Ce stage s'inscrit dans un projet plus vaste: la simulation complète de l'apparence d'un ruisseau, sous ses aspects visuels et temporels. On s'intéresse simultanément à la forme de la surface, à son animation, et au rendu visuel qui en découle.

Durant ce stage on se limite au cadre d'un ruisseau `calme', quasi-statique, faiblement turbulent. Les phénomènes qui modulent la surface du ruisseau seront donc essentiellement de nature ondulatoire: ce sont les divers systèmes de ridules produites par les obstacles immergés ou emergés. La démarche consistera à introduire successivement les phénomènes qui interviennent, en introduisant pour chacun un modèle et une structure de donnée had hoc capables de reproduire leurs caractéristiques.

Une première étude a montré la faisabilité de la démarche en temps-réel. Au delà de la poursuite de la prise en compte des divers phénomènes intéressants, il s'agit en outre maintenant de viser une simulation qui 'tienne la route' en s'attachant notamment à la continuité temporelle, aux considérations énergétiques (intensité et amortissement des sillages), et en entamant la réalisation du rendu de la surface liquide s'appuyant sur les primitives simulées. En fonction de l'avancement, on pourra éventuellement continuer à ajouter des `primitives' de comportement (vagues, tourbillons, bulles, turbulence, décrochements, cascades laminaires...).

RÉSULTAT ATTENDU:

Théorique:
- spécification d'un ruisseau (cours, obstacles, vitesses)
- étude bibliographique des phénomènes de surface
- simulation des ridules en régime statique
- régime dynamique (e.g. par perturbation du régime statique)
- rendu réaliste de la surface accéléré par le matériel (par exemple en maillant la surface à partir des primitives).

Pratique: Implémentation d'une maquette logicielle en C ou C++ sous UNIX, sous OpenGL. Le rendu réaliste prendra appui autant que possible sur le hardware graphique.

RÉFÉRENCES:

  • Phenomenological Simulation of Brooks F. Neyret, N. Praizelin. Eurographics Workshop on Animation and Simulation. Manchester, septembre 2001. http://www-evasion.imag.fr/Publications/2001/NP01/
  • Simulation d'un ruisseau par approches phenomenologiques pour la synthese d'images Cédric Dodard, rapport de stage Année Spéciale ENSIMAG, juin 2001.
  • Gallery of fluid dynamics. M.S. Cramer. http://www.eng.vt.edu/fluids/msc/gallery/gall.htm
  • Real Images Gallery. F. Neyret http://www-evasion.imag.fr/Membres/Fabrice.Neyret/gallery/
  • Hydraulique Générale et Appliquée,Michel CARLIER, Editions Eyrolles 1972.
  • Mécanique des fluides. Eléments d un premier parcours. P. Chassaing. Cepadues éditions, 1997.
  • Lectures on physics. R. Feynman. Addison-Weisley Publishing Compagny, 1977.
  • Waves in fluids. J. Lighthill. Cambridge University Press, 1978.
  • Le mur du silence. Jean-Pierre Petit. Belin. http://www.chez.com/jppetit/mhd.html
  • Realistic animation of liquids. Nick Foster and Demitri Metaxas. In Wayne A. Davis and Richard Bartels, editors, Graphics Interface 96, pages 204 212. Canadian Information Processing Society, Canadian Human-Computer Communications Society, May 1996.
  • Flow noise: textural synthesis of animated flow using enhanced Perlin noise. Ken Perlin and Fabrice Neyret. In SIGGRAPH 2001 Technical Sketches and Applications, August 2001.
  • A semi-physical model of running waters. Sebastien Thon and Djamchid Ghazanfarpour. In Euro-graphics UK, 2001.
  • Animation aerodynamics. Jakub Wejchert and David Haumann. In Thomas W. Sederberg, editor, Computer Graphics (SIGGRAPH 91 Proceedings), volume 25, pages 19 22, July 1991.
  • Stable fluids. Jos Stam. In Alyn Rockwood, editor, Proceedings of the Conference on Computer Graphics (Siggraph99), pages 121 128, N.Y., August 13 1999. ACM Press.