Simulation of on-surface flows for generating animations in computer graphics

• Auteur / Autrice : Jean-François EL Hajjar
• Direction : Djamchid Ghazanfarpour-Kholendjany, Xavier Pueyo, Vincent Jolivet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Limoges en cotutelle avec Universitat de Girona
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Équations de Navier-Stokes -- Solutions numériques

Temps réel (informatique)

Simulation par ordinateur

Gouttes

Infographie

Mots clés libres

Phénomènes naturels

Tensions de surface

Triple ligne de contact

Résumé

Dans le domaine de la synthèse d’images où une branche se focalise sur la reproduction du réel par ordinateur, les phénomènes naturels (tels que le vent, l’océan, le feu et la fumée) occupent une place importante dus à leurs omniprésences dans la nature et donc dans la vie de tous les jours. Le phénomène des gouttes n’est pas exempt de cet intérêt, ces faibles quantités de liquide se manifestant au quotidien sous diverses formes (la rosée, la pluie, jet de douche, chute d’un glaçon dans une cocktail etc. ). En dépit de la faible échelle à laquelle ce phénomène intervient, le phénomène des gouttes ne peut être négligé en synthèse d’images si perception, photo-réalisme ou immersion est de rigueur. Un flot de gouttes se comporte de fa¸con étonnamment complexe, la forme ainsi que le mouvement adoptés par une une goutte étant riches en possibilités et souvent décrit comme difficilement prévisible. Dans le cadre de cette thèse, deux méthodes pour l’animation de gouttes en synthèse d’images ont été explorées. Afin de cerner au mieux le phénomène des gouttes et recenser ses caractéristiques prédominantes d’un point de vue phénoménologique, une étude physique préalable (succincte pour un physicien mais suffisante pour l’infographiste) a été nécessaire. A partir de la compréhension du phénomène au sens de la physique ainsi que de l’analyse de précédentes méthodes en relation avec la simulation d’un flot de gouttes pour la synthèse d’images, des limitations ont pu être dégagées pour donner lieu au développement de deux méthodes distinctes conceptuellement et dans leur intérêt. La première méthode est une méthode empirique temps-réel pour l’animation de faibles écoulements liquides évoluant sur une surface plane. La principale motivation derrière cette méthode a été le niveau de performance, qui en conséquence nous a amené à effectuer des choix quant au degré de complexité de de complétude de la prise en compte du phénomène. Cette approche est destinée à intégrer des applications plus générales où les performances priment sur le réalisme comme c’est le cas dans un simulateur de conduite ou dans un jeu vidéo. Afin de simuler de fa¸con plus convaincante et réaliste le phénomène des gouttes, une seconde méthode basée physique a été explorée. Comme il est généralement le cas en synthèse d’images, ce type d’approche permet d’obtenir des résultats de grandes qualités mais en temps différé du à leurs complexités. En s’inspirant des travaux du domaine de la physique numérique (fortement actif et d’intérêts variés) tout en partant d’une analyse rigoureuse de l’unique méthode basée physique pour l’animation de gouttes sur des surfaces en synthèse d’images, on propose dans cette seconde méthode de lever certaines limitations en rapport tant avec les complexités calculatoire et mémoires qu’avec la justesse phénoménologique des résultats visuels. On clˆoturera ce manuscrit en présentant les perspectives qu’ont engendrées le développement de ces deux méthodes respectives en présentant de futurs pistes de recherche.

In computer graphics where a part of the community focuses on artificially reproducing nature by the mean of computers, natural phenomena (such as wind, ocean, fire and smoke) are of great importance due to their omnipresence in every day’s life. In this scope, droplets are no exception as one can observe them in many occasions and many forms (dew, rain, shower burst, ice cube falling in a cocktail etc. ). Despise the small scale at which the phenomenon occurs, droplets can not be neglected in computer graphics if perception, photo-realism or immersion are seeked. A droplet flow will behave in a suprising complex way, its shape as well as its dynamic being rich in possibilities and oftenly described as unpredictable. In the scope of this thesis, two methods for droplets animation in computer graphics have been explored. In order to understand the essence of the phenomenon and to list the predominant phenomenological caracteristics, a preliminary study in physics (brief for the physicist but suffisant for the infographist) has been necessary. From the understanding of the phenomenon in the sens of the physics as well as the analyse of previous works dedicated to on-surface flows in computer graphics, some limitations have been emphasized which in turn have led to the development of two novel methods different in both concept and scope. The first method is empirical and performs in real-time, it tackles the problem of on-surface flows on planar surfaces. The principal motivations behind this work was the performance issues, which in consequence lead us to pose some hypotheses as well as to consider some simplifications relatively to the phenomenon. This method is aimed at being part of critical time applications where performances are prefered over realism such as in a drive simulator or a video game. In order to animate in a more convincing and realistic way the flow of the droplets, a second method physically based has been explored. As it is in general the case in computer graphics, such methods allows one to attain a great degree of realism at the price of a high computational cost, thus dedicating this type of methods to offline rendering. By inspiring ourselves from the litterature present in the computational fluid domain as well as thoroughly analysing the only method physically based in computer graphics for the animation of droplets on surfaces, we propose in this second method to overcome some limitations with respect to the computational and memory complexity as well as the correctness of the shape of the flow. In conclusion, we present the perspectives that have arised from the development of these two methods.