Génération procédurale d’environnements sous-marins 3D animés pour la robotique

Procedural generation of animated 3D underwater environments for robotics

• Auteur / Autrice : Marc Hartley
• Direction : Christophe Fiorio
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 08/12/2025
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Information, Structures, Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Informatique, de Robotique et de Micro-électronique de Montpellier
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Département Informatique
• Jury : Président / Présidente : Jean-Luc Mari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Fiorio, Marie-Paule Cani, Noura Faraj, Éric Guérin, Frédéric Boudon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Paule Cani, Éric Guérin

Mots clés

Mots clés libres

Simulation sous-marine

Génération procédurale

Informatique graphique

Modélisation 3D

Procedural generation

Computer graphics

Underwater simulation

3D modelling

Résumé

Cette thèse explore la génération procédurale d'environnements sous-marins 3D afin d'offrir des terrains d'essai réalistes, contrôlables et reproductibles pour le développement de robots autonomes d'observation de la faune et de la flore marines. Les missions en mer étant rares, coûteuses et dangereuses, la création de paysages virtuels crédibles devient essentielle pour vérifier et valider le fonctionnement d'un robot, mais aussi pour observer et comprendre le monde réel. Il faut des environnements à la fois fidèles aux contraintes géologiques, biologiques et océanographiques, et suffisamment contrôlables pour que l'utilisateur en garde la maîtrise. Ce travail présente un cadre méthodologique pour la conception et la modélisation d'environnements sous-marins, en particulier des îles à récifs coralliens. Le manuscrit est divisé en trois parties : la génération à grande échelle d'îles et de leurs récifs par dessin numérique, le peuplement d'éléments biotiques et abiotiques dans le paysage par simulation d'écosystèmes multi-échelles, ainsi que la simulation d'érosion des mondes virtuels afin d'ajouter du réalisme. La première contribution présente une méthode de génération d'îles coralliennes guidée par l'esquisse. L'utilisateur dessine la forme en plan et le profil altimétrique pour construire une première carte d'altitude de l'île ; un champ vectoriel représentant vents et courants déforme le paysage pour simuler leur effet à long terme. Un modèle analytique de forme de récif corallien est proposé pour produire des cartes d'altitude cohérentes. Nous utilisons cette méthode de génération pour entraîner un réseau génératif antagoniste conditionnel (cGAN), ce qui permet de réduire significativement les contraintes imposées à l'utilisateur lors de la conception de son paysage. La deuxième contribution propose une représentation sémantique multi-niveaux pour le peuplement d'écosystèmes. Nous décrivons le paysage au moyen d'objets environnementaux biotiques et abiotiques dotés d'attributs et de règles de génération. Notre pipeline place et adapte les objets en respectant la cohérence d'ensemble et modifie localement l'environnement, ce qui permet de capturer des boucles de rétroaction entre l'environnement et les objets sans simulation lourde. La sortie de cette méthode est indépendante de la représentation du terrain, ainsi que de sa résolution. La troisième contribution introduit une érosion par particules pour le vieillissement de paysages marins et terrestres, applicable à toutes les représentations de terrain (surfaciques et volumiques) et pouvant être couplée à une simulation de fluides externe. Grâce à leur généralité, les particules permettent de simuler de nombreux phénomènes naturels : vent, pluie, courants, vagues, etc. La parallélisation et le contrôle permettent d'utiliser cette méthode de manière interactive. Ce travail en trois parties compose une chaîne cohérente qui relie la conception à grande échelle des îles, le peuplement écologique et l'évolution des terrains jusqu'aux détails perceptibles à l'échelle du robot, tout en conservant l'utilisateur au cœur du processus. Les retombées touchent l'informatique graphique, la robotique sous-marine, et l'écologie.

This thesis explores the procedural generation of 3D underwater environments to provide realistic, controllable, and reproducible testbeds for developing autonomous robots that observe marine fauna and flora. Because sea missions are rare, costly, and hazardous, creating credible virtual seascapes becomes essential for verifying and validating robot behavior—but also for observing and understanding the real world. Such environments must respect geological, biological, and oceanographic constraints while remaining sufficiently controllable to keep the user in charge. This work presents a methodological framework for the design and modeling of underwater environments, with a focus on coral-reef islands. The manuscript is divided into three parts: large-scale generation of islands and their reefs via digital sketching; ecosystem population with biotic and abiotic elements through multi-scale simulation; and erosion simulation of virtual worlds to enhance realism. The first contribution introduces a sketch-guided method for generating coral-reef islands. The user draws the plan view and elevation profile to build an initial height map of the island; a vector field representing winds and currents then deforms the landscape to simulate their long-term effects. An analytical model of coral-reef morphology is proposed to produce coherent height maps. We use this generation method to train a conditional generative adversarial network (cGAN), which significantly reduces the constraints placed on the user during landscape design. The second contribution proposes a multi-level semantic representation for ecosystem population. We describe the landscape using biotic and abiotic environmental objects endowed with attributes and generative rules. Our pipeline places and adapts objects while preserving global coherence and locally modifying the environment, thereby capturing ecological feedback loops between environment and objects without heavy simulation. The output is independent of the terrain representation as well as its resolution. The third contribution introduces particle-based erosion for aging marine and terrestrial landscapes, applicable to all terrain representations (surface- and volume-based) and able to be coupled with an external fluid simulation. Thanks to their generality, particles can simulate many natural phenomena such as wind, rain, currents, waves, etc. Parallelization and controllability enable interactive use of this method. Taken together, these three components form a coherent pipeline that links large-scale island design, ecological population, and terrain evolution down to robot-scale details, while keeping the user at the center of the process. The outcomes impact computer graphics, underwater robotics, and ecology.