Simulation visuelle efficace de phénomènes volcaniques

Efficient visual simulation of volcanic phenomena

• Auteur / Autrice : Maud Lastic
• Direction : Marie-Paule Cani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 03/07/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique de l'École polytechnique (Palaiseau, Essonne) - Laboratoire d'informatique de l'École polytechnique [Palaiseau] / LIX
• Jury : Président / Présidente : Maud Marchal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Paule Cani, Eric Paquette, Sylvain Lefebvre, Damien Rohmer, Kiwon Um, Claude Jaupart
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Paquette, Sylvain Lefebvre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Animation par ordinateur

Design interactif

Infographie

Mots clés libres

Informatique graphique

Animation

Phénomènes naturels

Modèles interactifs

Computer graphics

Computer animation

Natural phenomena

Interactive models

Résumé

L'un des principaux défis en informatique graphique est de permettre la création de mondes virtuels vastes et réalistes. Pour les enrichir, il faut pouvoir offrir des outils pour créer des phénomènes naturels cohérents divers et variés facilement et efficacement. Ainsi, des effets visuellement plausibles mais contrôlables donnent plus de liberté pour la création de films 3D, de simulations et de jeux vidéo.Le but de cette thèse est de proposer de nouveaux modèles d'animation pour les éruptions volcaniques. Ces modèles sont pensés pour être utilisés par des artistes, posant certains objectifs à atteindre : être plausibles, c'est-à-dire avoir une ressemblance avec la réalité et une dynamique correcte ; être rapides, pour pouvoir être utilisés de manière interactive et dans les jeux vidéo ; et être contrôlables, en étant légers et simples à comprendre, pour que les artistes puissent les adapter à leurs besoins.Pour animer des éruptions explosives, nous proposons un modèle prenant en compte leur dynamique, simulant des panaches montant à haute altitude et des coulées pyroclastiques dévalant les flancs du volcan, selon les conditions initiales. Notre modèle comporte deux couches : une simulation Lagrangienne minimaliste représentant des tranches horizontales de panache interagissant avec l'air environnant ; et un modèle procédural renforçant l'animation des flux turbulents avec des détails multi-résolution. Nous étendons ce modèle en le combinant à un modèle atmosphérique où plusieurs couches horizontales représentent l'atmosphère, où nous simulons les phénomènes physiques menant à la formation des nuages. Ainsi, différents nuages peuvent être animés et influencés par la présence d'un panache.Enfin, les coulées de lave font partie des phénomènes naturels les plus complexes, puisque la lave est un fluide aux comportements multiples, passant par des états liquide, plastique et solide. L'aspect visuel de la lave est souvent hybride, avec des parties liquides sur lesquelles flottent des éléments plus froids, et des croûtes déformables qui se plissent et se déforment. Aucune méthode n'a pu gérer l'interaction entre l'aspect visuel de la lave et la coulée, ni la formation et le plissement de surfaces déformables. Plutôt que de s'intéresser à de la simulation pure, nous proposons un modèle à couches combinant une simulation Eulérienne de lave et une simulation géométrique de la surface de la coulée, permettant l'apparition de plis en fonction de la vitesse et de la température. Nous habillons la surface de la coulée avec des textures procédurales basées sur l'épaisseur de la croûte en respectant une cohérence temporelle.

Offering tools to easily and efficiently create consistent natural phenomena is one of the main challenges in Computer Graphics, where visually plausible but controllable virtual effects are mandatory for 3D films, simulators and games.The goal of this PhD is to propose novel multi-scale models for animating volcanic eruptions. These models are meant to be used by artists, giving several goals to achieve: being plausible, which means having a geometric resemblance to reality, as well as having the correct temporal dynamic; being fast in order to be able to be used interactively while permitting an usage in video games; and finally being controllable, with light and easy to understand model, so that users can easily adapt them to their needs.To animate explosive eruptions, we propose a model that takes their unique dynamics into account, resulting into ascending plumes propagating upward and finally spreading side-way as well as pyroclastic flows spreading down the slopes of the volcano, depending on initial conditions. Our model combines two consistently coupled, simple sub-models: a minimalist Lagrangian simulation, used to represent dynamic horizontal slices of material ejected by the volcano and interacting with the surrounding air; and a procedural model that enhances the visual animation of the turbulent flow with multi-resolution details. We extend this model by combining it with an atmospheric model, where several horizontal layers represent the atmosphere and we simulate the physical phenomena leading to the formation of clouds. Thus, several types of clouds can be animated and interact with a plume.Lastly, lava flows are among the most complex targeted phenomena, since they involve fluids evolving to a variety of behaviors while cooling down, from liquid to plastic, and then to rigid states. The visual aspect of lava is often hybrid, with liquid parts carrying cooler elements, and deformable crust that folds and deforms. None of these methods was able to handle the interaction between the visual state of the lava and the underlying flow, nor the formation and folding of deformable surface sheets. Therefore, rather than tackling pure simulation, we use as a base an existing Eulerian simulation of lava flows and build a geometrical simulation of the surface of the flow, letting folds appear knowing the velocity and temperature of the flow. We texture the flow using time-consistent textures generated according to the thickness of the crust.