Approches basées champ pour l'animation de couches de vêtements sans collision

Field-based approaches for the collision-free animation of layered and dynamic clothing

• Auteur / Autrice : Thomas Buffet
• Direction : Damien Rohmer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 13/01/2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique de l'École polytechnique (Palaiseau ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Tamy Boubekeur
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Damien Rohmer, Sylvain Lefebvre, Maud Marchal, Marie-Paule Cani, Etienne Vouga, Loïc Barthe, Cédric Zanni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvain Lefebvre, Maud Marchal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Animation par ordinateur

Design patterns

Mots clés libres

Animation de vêtements

Surfaces implicites

Gestion de collision

Champ scalaire

Champ de vecteurs

Implicit surfaces

Cloth animation

Collision handling

Scalar fields

Vector fields

Résumé

Gérer de manière robuste et efficace les collisions entre des surfaces 3D déformables en animation reste un challenge, d'autant plus lorsque ces surfaces sont potentiellement en contact sur de larges zones, comme c'est le cas pour les vêtements. Par conséquent, les avatars virtuels ne portent souvent qu'une seule couche, ce qui nuit à la modélisation de phénomènes comme la friction entre les vêtements, et limite aussi les possibilités créatives.Dans ce manuscrit, nous proposons deux approches alternatives à la détection et la gestion de collisions classique, basé maillage, en nous basant sur l'utilisation de champ volumiques.Plus précisément, nous présentons deux méthodes, la première utilisant une représentation par surface implicite des couches de vêtements pour gérer d'éventuelles intersections statiques, et la seconde plongeant les vêtements dans un champ de vecteur pour la dynamique.Premièrement, nous présentons une méthode de démêlement statique de vêtement. Cette méthode se base sur une réprésentation intermédiaire des vêtements en tant que surfaces implicites -iso-niveau d'un champ scalaire- ouvertes. Pour N couches de vêtements, les N surfaces implicites associées sont combinés à l'aide d'opérateur N-aire que nous avons créé pour ce problème. Nous obtenons N nouvelles surfaces, telles que les intersections entre les surfaces initiales ont été remplacés par des zones de contact.Deuxièmement, nous proposons une méthode utilisant un champ de vecteur pour l'animation sans collisions d'un nombre quelconque de couches de vêtements. A chaque pas de temps et après simulation, la vitesse des vêtements est convertie en un champ de vecteurs discret, dont nous contraignons localement la divergence pour éviter les collisions entre des surfaces advectés par ce champ.

While real world garments are commonly worn as several layers on top of each other, 3D virtual garment animation in current entertainment production are often simplifying this modeling in considering only a single cloth layer on top of the virtual mannequin. Such simplification may limit the creative possibilities, as well as failing to model key physical aspects related to friction between cloth layers. Indeed, robustly and efficiently handling collision avoidance between 3D surface layers in contact, possibly exhibiting complex shapes and dynamic behaviors, remains a challenge in Computer Graphics.This Phd proposes an alternative approach to mesh-based collision handling. More precisely, we propose two contributions using respectively, an implicit surface representation for static garment layer untangling, and a vector field embedding for the animation of dynamic layers.We first present a static method for untangling layers of garments that do not require the knowledge of a previous collision-free state. Our method relies on an intermediate representation of garments as open implicit surfaces embedded in a scalar field. The implicit surfaces associated with each layer are combined using a new family of N-ary composition operators, specially designed for untangling layers. The N-resulting implicit surfaces correspond to untangled surfaces where collision is replaced by contact.Secondly, we propose a vector-field-based approach that allows collision free garment animation in interleaving fast simulation steps with volume based velocity optimization. The simulation step is used to compute a per-vertex speed without consideration for collision. These speeds are converted as a grid-based velocity field which is then optimized to locally enforce constraints on its divergence, thus avoiding collision between layers as well as self-collision. This is done while preserving as much as possible their simulated speed in the other regions. The optimization is based on an efficient least-square representation and leads to a velocity field that can robustly handle a large number of animated garments, as well as allowing a unified framework for the animation of collision-free dynamic objects.