Stage Simulation Visuelle d'Avalanches Poudreuses RÉSUMÉ: La simulation des phénomènes naturels intéresse depuis longtemps les chercheurs en synthèse d'images. 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 (eau, nuages, fumée...). 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. Concernant les avalanches, une collaboration est d'ailleurs en cours avec le CEMAGREF, le LEGI et le LMC. Cependant cette approche est incapable - et ce pour longtemps - de fournir les résultats visuels extrêmement détaillés dont on a besoin en synthèse d'images. L'objectif de ce stage consiste à apporter à une simulation grossière les détails animés caractéristiques du phénomène (ici une avalanche poudreuse), en cherchant à reproduire directement les comportements émergents: volutes, vagues et vortexs à plusieurs échelles, oscillation du front de l'avalanche, etc (approche phénoménologique). On dispose de simulations de coulées précalculées. On se propose de simuler des systèmes de particules hiérarchiques, les principales étant guidées par la simulation, et modélisant les phénomènes qui influencent les secondaires. Une des difficultés réside dans le fait que ces phénomènes ne sont néanmoins pas ponctuels: le front est linéique, les `vagues' s'étendent à la surface, etc. Presentation Generale : 3 types d'avalanches : - de neige humide (printemps, chargee en eau, 400-500kg/m3) comportement d'un fluide - de neige dure (exposee au vent, 200-400 kg/m3) plaque qui glisse l'une sur l'autre, blocs qui s'entrechoque - de neige recente * avalanche dense (100-200kg/m3, 10-40m/s) comportement granulaire * avalanche aerosol ( < 100kg/m3, 50-100m/s, concentration vol = 1% du vol total) melange air-particules collision interparticules negligeable [Clement99-DEA] => dynamique d'un nuage + dense que l'air qui devale une pente On retrouve les phenomenes : - convection - turbulence - vortex - vagues multi-echelle type KH Ce que l'on sait : exemple d'une avalanche dans la vallee de la Sionne le 25/02/99: hauteur = 50 a 100m longueur = 500 a 800m vitesse du front = 50 a 100m/s concentration vol = 0,5 a 1% vol total vitesse interne = 40% vitesse du front masse vol = 5 a 10kg/m3 pente moyenne = 30% Ce que l'on ne sait pas : - Phenomene de reprise tres mal connu : incorporation des nouvelles particules du manteau neigeux pour palier la baisse de masse (moteur de l'avalanche) et la baisse de densite du a la sedimentation des particules et l'augmentation du volume par ajout d'air. - Valeurs des variables internes a l'avalanche (vitesse, turbulence, densite, etc.) tres mal connues. ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// Etude biblio : Dans le cadre de la modelisation de nuages, de fluide plus generalement, 2 approches sont a distinguer : la methode numerique directe et la methode phenomenologique. Les deux methodes se basent sur la physique et ses lois mais pas de la meme maniere. La methode numerique directe tente de modeliser le fluide en se basant sur les equations analytiques de Navier-Stockes (plus ou moins simplifiees pour accelerer le calcul). Elle permet de reproduire tres fidelement le comportement du fluide mais necessite une resolution assez importante et un temps de calcul substanciel (variation en o(n3)) Pour resoudre ce type de probleme il existe 2 methodes : - Eulerienne, calcul des vitesses, densites, etc. sur une grille plus ou moins precise - Lagrangienne, calcul des caracteristiques (position, vitesse, densite etc.) d'un certain nombre de particules lachees dans le fluide. ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// Questions diverses : * Comment obtenir le champs de vitesse, utilisation de Navier-Stockes ? -> pas de Navier-Stockes, on ne refait pas un modele numerique -> champs de vitesse fourni par cemagref (en 2D) ou reconstruit simplement (modele de Florence) * modele lagrangien, semi-lagrangien, SPH ? -> modele particulaire hierarchique lagrangien * utilisation d'une grille 3D pour le champs de vitesse ? -> non 2D, vitesse moyennee sur la hauteur * quel discretisation (temps et espace) ? * combien de particules, combien de niveaux de hierarchie, chainer les particules ? -> environ 3 niveaux de hierarchie et enventuellement chainage des particules au front * particules creees a la volees (en fonction de la densite) ou deja disposees sur le sol (comme dans le cas reel) et soulevees par le champs de vitesse ou canon de particules (modele de Florence) ? -> faire differents modeles, avec ou sans entrainement de particules du sol * comment traquer la surface et surtout le front (level set, isocontour, utiliser la cohesion des particules) ? * quel rendu utiliser ( plaquage de textures animees, billboard, fonction implicite, rendu volumique ) ? -> a voir plus tard //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// Deroulement general de l'algorithme : * Creation des conditions initiales ( positions des particules, champs de vitesse, de densite, de pression etc. ) * calcul du nouveau champs de vitesse, de densite * advection des particules * creation du rendu /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// Biblio Animation : * Modeles d'avalanche : Annie Luciani * Modeles de fluide : - methode numerique : + "Pratical Animation of Liquids" - Foster, Fedkiw (2001) + "Visual Simulation of Smoke" - Fedkiw, Stam, Jensen (2001) + "A Simple Fluid Solver based on the FFT" - Stam (2001) + "Stable Fluids" - Stam (1999) + "Controlling Fluid Animation" - Foster, Metaxas (1997) + "Realistic Animation of Liquids" - Foster, Metaxas (1996) + "Simulation of Turbulent Flow Using Vortex Particles" - Gamito (1994) - methode empirique : + "Structural Modeling of Flames for a Production Environment" - Lamorlette, Foster (2002) + "Phenomenological Simulation of Brooks" - Neyret, Praizelin (2002) + "Transparency for Polygon Based Cloud Rendering" - Trembilski, Brossler (2002) + "A Simple, Efficient Method for Realistic Animation of Clouds" - Dobashi, Kaneda, Yamashita, Okita, Nishita (2000) + "Qualitative Simulation of Convective Cloud Formation and Evolution" - Neyret (1997) + "Visual Simulation of Clouds" - Gardner (1985) + "Simulation of Natural Scenes Using Textured Quadric Surfaces" - Gardner (1984) Biblio Rendu : + "Computer Modelling Of Fallen Snow" - Paul Fearing () + "A Rapid Hierarchical Rendering Technique for Translucent.." - Henrik Wann Jensen () + "Reflectance and Texture of Real-World Surfaces" - Dana, van Ginneken, Nayar.. (1997) + "A Modeling and Rendering Method for Snow by Using Metaballs" - Nishita, Iwasaki, al. (1997) Biblio en plus : + "Particle Systems - A Technique for Modelling a Class of Fuzzy Objects" - William T. Reeves (1983) + "Approximate and probabilistic Alghorithms for Shading and Rendering Structured Particle Systems" - William T. Reeves (1985) + "Etude de la dynamique des avalanches de neige en aerosol" - M. Clement Rastello, These LEGI (2002) + "A new method for avalanche hazard mapping using a combination of statistical and deterministic models" - Barbolini, M. and Keylock, C.J. (2002) Natural Hazards and Earth System Sciences 2, 3/4, 239-245