PROPOSITION DE SUJET



RESPONSABLE: Fabrice NEYRET
EQUIPE:  iMAGIS / GRAVIR
CONTACT: Fabrice.Neyret @ imag.fr_



TITRE:
 Simulation d'un ruisseau

MOTS-CLE:
 synthèse d'images, phénomènes naturels,
 simulation à bases physiques, simulation phénoménologique,
 mécanique des fluides.


MOTIVATIONS:

  La simulation des phénomènes naturels intéresse depuis
longtemps les chercheurs en synthèse d'image.
Leur richesse visuelle découle souvent d'une grande complexité
de comportement ou d'apparence; c'est ce qui engendre
leur intérêt applicatif, la motivation de ceux qui les étudient,
et le défi scientifique que constitue leur simulation.
Parmi eux figurent en bonne place les fluides, et en particulier l'eau.

Bien que l'objectif des techniques de synthèse d'images
soit de produire des comportements et aspects plausibles et non
quantitativement précis, une tendance courante est de recourir aux
équations de la physique et aux méthodes de résolution numérique
pour les simuler, profitant ainsi des avancées d'autres disciplines
en matière de simulation.

Dans le cas des fluides, cette démarche comporte de nombreux inconvénients:
- Résoudre les équations de Navier-Stokes dans le cas général en 3D
  est particulièrement coûteux,
- d'autant plus que les scènes naturelles requièrent souvent
  à la fois des domaines larges et une résolution fine.
- Pour les nuages comme pour l'eau, on ne voit souvent que
  l'interface du fluide et du milieux environnant.
  Dés lors, à quoi bon simuler finement l'intérieur ?
- D'un écoulement d'eau, on ne voit en général que des indices
  secondaires du mouvement (vagues, ondes de surface, objets
  dérivants). Dés lors, à quoi bon simuler des grandeurs invisibles ?
- ces indices secondaires sont des phénomènes émergeants
  des équations de Navier-Stokes dans son cas le plus général
  (non-linéaire, compressible, grandes vitesses, etc).
  Ils sont donc délicats et coûteux à obtenir.
- Pour la même raison, bien que ces phénomènes détiennent le _sens_
  de ce que l'on percoit de l'écoulement, il est extrêmement difficile
  de contrôler directement leurs caractéristiques, alors que
  l'une des propriétés essentielles d'une technique de synthèse
  d'images est sa contrôlabilité par l'utilisateur.

Afin d'éviter toutes ces difficultés, nous souhaitons adopter
une approche phénoménologique, basée sur la modélisation
directe des phénomènes émergents. Paradoxalement, il existe
une connaissance physique assez ancienne de ces phénomènes
(étude des régimes fluviaux, étude des instabilités),
sur laquelle on peut se fonder.


OBJECTIF DU STAGE:

  Ce stage s'inscrit dans un projet plus vaste:
la simulation complète de l'apparence d'un ruisseau,
sous ses aspects visuels et temporels.
On s'intéresse simultanément à la forme de la
surface, à son animation, et au rendu visuel qui en découle.

Durant ce stage on se limite au cadre d'un ruisseau `calme',
quasi-statique, faiblement turbulent.
Les phénomènes qui modulent la surface du ruisseau
seront donc essentiellement de nature ondulatoire:
ce sont les divers systèmes de ridules produites par
les obstacles immergés ou emergés.
La démarche consistera à introduire successivement
les phénomènes qui interviennent, en introduisant pour chacun
un modèle et une structure de donnée had hoc
capables de reproduire leurs caractéristiques.

L'objectif premier du stage est d'obtenir un premier modèle
animé dans ce contexte limité. Il serait toutefois souhaitable
d'entamer le rendu realiste proprement dit.
En fonction de l'avancement, on pourra éventuellement continuer
à ajouter des `primitives' de comportement (vagues, tourbillons,
bulles, turbulence, décrochements, cascades laminaires...).

RESULTAT ATTENDU:
Théorique:
  - spécification d'un ruisseau (cours, obstacles, vitesses)
  - étude bibliographique des phénomènes de surface
  - simulation des ridules en régime statique
  - régime dynamique (e.g. par perturbation du régime statique)
  - si possible, rendu réaliste de la surface
Pratique:
  Implémentation d'une maquette logicielle en C ou C++,
  sous OpenGL pour ce qui concerne la simulation.
  Le rendu réaliste pourra être effectué par exemple en ray-tracing.