Outils pour le contôle de simulation de fluide en informatique graphique

Tools for Fluid Simulation Control in Computer Graphics

• Auteur / Autrice : Arnaud Schoentgen
• Direction : Philippe Meseure, Pierre Poulin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 05/11/2021
• Etablissement(s) : Poitiers en cotutelle avec Université de Montréal (1978-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie des Systèmes, Mathématiques, Informatique (Limoges)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM - XLIM / XLIM
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Fabian Bastin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Tonnesen
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philip Dutré, Chris Wojtan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation de fluide (Infographie)

Simulation par ordinateur

Infographie

Mots clés libres

Animation basée sur la physique

Simulation de fluide

Contrôle de fluide

Augmentation de détail

Physics-Based animation

Fluid simulation

Fluid control

Upresolution

Résumé

L'animation basée sur la physique peut générer des systèmes aux comportements complexes et réalistes. Malheureusement, contrôler de tels systèmes est une tâche ardue. Dans le cas de la simulation de fluide, le processus de contrôle est particulièrement complexe. Bien que de nombreuses méthodes et outils ont été mis au point pour simuler et faire le rendu de fluides, trop peu de méthodes offrent un contrôle efficace et intuitif sur une simulation de fluide. Étant donné que le coût associé au contrôle vient souvent s'additionner au coût de la simulation, appliquer un contrôle sur une simulation à plus haute résolution rallonge chaque itération du processus de création. Afin d'accélérer ce processus, l'édition peut se faire sur une simulation basse résolution moins coûteuse. Nous pouvons donc considérer que la création d'un fluide contrôlé peut se diviser en deux phases: une phase de contrôle durant laquelle un artiste modifie le comportement d'une simulation basse résolution, et une phase d'augmentation de détail durant laquelle une version haute résolution de cette simulation est générée. Cette thèse présente deux projets, chacun contribuant à l'état de l'art relié à chacune de ces deux phases.Dans un premier temps, on introduit un nouveau système de contrôle de liquide représenté par un modèle particulaire. À l'aide de ce système, un artiste peut sélectionner dans une base de données une parcelle de liquide animé précalculée. Cette parcelle peut ensuite être placée dans une simulation afin d'en modifier son comportement. À chaque pas de simulation, notre système utilise la liste de parcelles actives afin de reproduire localement la vision de l'artiste. Une interface graphique intuitive a été développée, inspirée par les logiciels de montage vidéo, et permettant à un utilisateur non expert de simplement éditer une simulation de liquide.Dans un second temps, une méthode d'augmentation de détail est décrite. Nous proposons d'ajouter une étape supplémentaire de suivi après l'étape de projection du champ de vitesse d'une simulation de fumée eulérienne classique. Durant cette étape, un champ de perturbations de vitesse non-divergent est calculé, résultant en une meilleure correspondance des densités à haute et à basse résolution. L'animation de fumée résultante reproduit fidèlement l'aspect grossier de la simulation d'entrée, tout en étant augmentée à l'aide de détails simulés.

Physics-based animation can generate dynamic systems of very complex and realistic behaviors. Unfortunately, controlling them is a daunting task. In particular, fluid simulation brings up particularly difficult problems to the control process. Although many methods and tools have been developed to convincingly simulate and render fluids, too few methods provide efficient and intuitive control over a simulation. Since control often comes with extra computations on top of the simulation cost, art-directing a high-resolution simulation leads to long iterations of the creative process. In order to shorten this process, editing could be performed on a faster, low-resolution model. Therefore, we can consider that the process of generating an art-directed fluid could be split into two stages: a control stage during which an artist modifies the behavior of a low-resolution simulation, and an upresolution stage during which a final high-resolution version of this simulation is driven. This thesis presents two projects, each one improving on the state of the art related to each of these two stages.First, we introduce a new particle-based liquid control system. Using this system, an artist selects patches of precomputed liquid animations from a database, and places them in a simulation to modify its behavior. At each simulation time step, our system uses these entities to control the simulation in order to reproduce the artist’s vision. An intuitive graphical user interface inspired by video editing tools has been developed, allowing a nontechnical user to simply edit a liquid animation.Second, a tracking solution for smoke upresolution is described. We propose to add an extra tracking step after the projection of a classical Eulerian smoke simulation. During this step, we solve for a divergence-free velocity perturbation field resulting in a better matching of the low-frequency density distribution between the low-resolution guide and the high-resolution simulation. The resulting smoke animation faithfully reproduces the coarse aspect of the low-resolution input, while being enhanced with simulated small-scale details.