Modélisation par bruit procédural et rendu de détails volumiques de surfaces dans les scènes virtuelles

Procedural noise modeling and rendering of volumetric details over surfaces in virtual scenes

• Auteur / Autrice : Nicolas Pavie
• Direction : Djamchid Ghazanfarpour-Kholendjany, Guillaume Gilet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique et applications
• Date : Soutenance le 03/11/2016
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie pour l'information, mathématiques (Limoges ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM (Brive, Limoges, Poitiers ; 2006-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Djamchid Ghazanfarpour-Kholendjany, Guillaume Gilet, Jean-Michel Dischler
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Kadi Bouatouch, Yves Duthen
• DOI : 10.70675/b4617145zc5f2z4698z8f3azf933d4a99d6a

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement d'images -- Techniques numériques

Conception assistée par ordinateur

Réalité virtuelle

Mots clés libres

Informatique graphique

Textures procédurales

Bruit procéduraux

Rendu volumétrique

Décoration de surfaces

Computer graphics

Procedural texturing

Procedural noise

Volumetric rendering

Surface decoration

Résumé

L’augmentation de la puissance graphique des ordinateurs grands publics entraîne avec elle une demande croissante de qualité et de complexité des scènes virtuelles. La gestion de cette complexité est particulièrement difficile pour les objets naturels tels les arbres et les champs d’herbe ou encore pour les animaux, pour lesquels de très nombreux petits objets très similaires viennent décorer les surfaces. La diversité de ces détails de surfaces, nécessaire à un rendu réaliste dans le cas des objets naturels, se traduit par une augmentation du temps de modélisation, du coût en stockage et de la complexité d’évaluation. Nous nous sommes intéressés aux différentes représentations et méthodes de génération à la volée pouvant être utilisées pour la création et le rendu temps réel de ces détails sur de vastes surfaces. Nous avons concentré notre étude sur le cas particulier des champs d’herbe et des fourrures : De nombreux brins quasi-similaires, distribués aléatoirement sur la surface, forment une apparence visuelle très proche d’un motif de bruit incluant des éléments de structure. Nous présentons dans un premier temps un bruit procédural axé sur la modélisation spatiale interactive d’éléments quasi-similaires et de leur distribution. L’utilisation de fonctions gaussiennes elliptiques comme primitive de modélisation, et la distribution non-uniforme contrôlée des éléments créés, permet de produire des motifs aléatoires ou quasi-réguliers incluant des caractéristiques structurelles. Une méthode d’analyse par décomposition en ellipses permet de préconfigurer ce bruit pour une reproduction rapide d’un motif donné. Nous présentons ensuite une extension de ce bruit pour la modélisation procédurale d’une surcouche volumique composée de détails de surfaces tels que des brins ou des objets volumiques plus complexes. Pour conserver une modélisation interactive du motif, une première méthode de rendu d’ordre image et une seconde méthode d’ordre objet sont proposées pour une évaluation optimisée du bruit par une carte graphique. Ces deux méthodes permettent une visualisation interactive et visuellement convaincante du résultat.

The growing power of graphics processing units (GPU) in mainstream computers creates a need for a higher quality and complexity of virtual scenes. Managing this complexity for natural objects such as trees or grass fields or even animals is painstaking, due to the large amount of small objects decorating their surface. The diversity of such details, mandatory for realistic rendering of natural objects, translates in a longer authoring time, a higher memory requirement and a more complex evaluation. We review in this thesis the related works on data representations and on-the-fly generation methods used for the creation and real-time rendering of details over large surfaces. We focus our study on the particular case of grass fields and fur : the fuzzy visual appearance of those surfaces is obtained by the distribution of many self-similar blades or strands, creating a pattern closely related to a noise with structural features. We first present a procedural noise that aims at spatial modeling of self-similar elements and their distribution. The elliptical Gaussian function used as a modeling primitive and the controlled non-uniform distribution of elements allows for various type of patterns to be modeled, from stochastic to near-regular one, while including structural features. The by-example analysis process based on an ellipse fitting method allows a fast configuration of the noise for patterns reproduction. We further introduce an extension of this noise model for the authoring of procedural shell textures of strand-based or more complex volumetric details. For interactive authoring of such volumetric pattern, an image-order and an object-order rendering methods are proposed, both methods being optimized for an implementation on the GPU. Our rendering methods allow for interactive visualization of a visually-convincing result.