Modeling and simulating virtual terrains

Modélisation et simulation de terrains virtuels

• Auteur / Autrice : Axel Paris
• Direction : Eric Galin, Éric Guérin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 21/03/2023
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale InfoMaths (Lyon ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'InfoRmatique en Images et Systèmes d'information (Ecully, Rhône ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Raphaëlle Chaine
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Galin, Éric Guérin, Marie-Paule Cani, Bruno Lévy, Loïc Barthe, Pauline Collon, Stéfanie Hahmann
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marie-Paule Cani, Bruno Lévy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géomorphologie

Sols

Pixels

Systèmes virtuels (informatique)

Modélisation des données (informatique)

Mots clés libres

Modèles de terrains

Génération procédurale

Simulations physiques

Surfaces implicites

Terrain models

Procedural modeling

Physical simulations

Implicit surfaces

Résumé

Cette thèse, intitulée ''Modeling and simulating virtual terrains'' a pour thème la création de contenu numérique et à la simulation scientifique, dans le cadre des terrains virtuels dans les scènes naturelles. Les terrains sont composés de formes à différentes échelles (micro-échelle, meso-échelle, et macroéchelle), qui sont le résultat de plusieurs processus physiques entrelacés opérant à différentes échelles temporelles et spatiales. En informatique, ces formes sont habituellement représentées par des surfaces d’élévation, mais les formes telles que les arches ou les grottes requièrent une représentation volumique. Cependant, les besoins grandissants de réalisme et de taille des mondes virtuels amènent de nouveaux défis que les techniques et modèles actuels ne résolvent pas entièrement. Cette thèse est séparée en deux parties. En premier lieu, nous observons que plusieurs formes de terrains à l’échelle macro, telles que les déserts et les méandres de rivières, ne peuvent pas être modélisées avec les techniques actuelles. Partant de cette observation, nous développons de nouvelles simulations inspirées de la géomorphologie pour modéliser ces phénomènes sur les terrains virtuels. Nous nous intéressons à la fois au réalisme de nos simulations et au contrôle utilisateur, qui est un aspect clé en informatique graphique. Dans la seconde partie, nous nous intéressons à la modélisation et la génération de phénomènes volumiques de terrains. Les modèles existants utilisent les voxels et ont un coût mémoire important, ce qui empêche leur utilisation à grande échelle. À la place, nous proposons un nouveau modèle s’appuant sur des fonctions de distance signées pour représenter les formes de terrain volumiques, comme les arches, les surplombs et les grottes, avec un impact mémoire bien plus faible. Nous montrons comment cette représentation est adaptée pour générer des formes de terrain volumiques à plusieurs échelles (microéchelle, meso-échelle, et macro-échelle).

This PhD, entitled ''Modeling and simulating virtual terrains'' is related to digital content creation and geological simulations, in the context of virtual terrains. Real terrains exhibit landforms of different scales (namely microscale, mesoscale, and macroscale), formed by multiple interconnected physical processes operating at various temporal and spatial scales. On a computer, landforms are usually represented by elevation models, but features such as arches and caves require a volumetric representation. The increasing needs for realism and larger worlds bring new challenges that existing techniques do not fulfill. This thesis is separated in two parts. First, we observe that several macroscale landforms, such as desert landscapes made of sand dunes and meandering rivers, simply cannot be modeled by existing techniques. Thus, we develop new simulations, inspired by research in geomorphology, to generate these landforms. We particularly focus on the plausibility of our results and user control, which is a key requirement in Computer Graphics. In the second part, we address the modeling and generation of volumetric landforms in virtual terrains. Existing models are often based on voxels and have a high memory impact, which forbids their use at a large-scale. Instead, we develop a new model based on signed distance functions for representing volumetric landforms, such as arches, overhangs and caves with a low memory footprint. We show that this representation is adapted to generating volumetric landforms across a range of scales (microscale, mesoscale, and macroscale).