Créer, Simuler, Explorer des Univers Naturels sur Ordinateur

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Fabrice NEYRETFabrice NEYRET

Evasion - GRAVIR / IMAG - INRIA ( CNRS, INPG, INRIA, UJF )





• ForêtsForêts:: AM, AM, FC,FC, PhDPhD

• RivièresRivières:: NP,CD,AP,FR, NP,CD,AP,FR, Qizhi YuQizhi Yu

• OcéanOcéan:: DHDH

• AvalanchesAvalanches:: DH,FB,MRDH,FB,MR

• NuagesNuages:: Antoine Bouthors, Antoine Bouthors, SLSL

• FuméeFumée:: AAAA

• FlownoiseFlownoise:: KP, KP, AAAA22

• Textures, repr alt, GPUTextures, repr alt, GPU:: SLSL

• Plis, morphogénèsePlis, morphogénèse:: JCJC

Collabs:Collabs: Vertigo, Prodige, Revpe, NatSim Vertigo, Prodige, Revpe, NatSim

• Qui sommes-nous ?Qui sommes-nous ?

• D’où venons-nous ?D’où venons-nous ?

• Où allons-nous ?Où allons-nous ?

• ( Y a-t-il une vie après CG ? / après la radiosité ? )( Y a-t-il une vie après CG ? / après la radiosité ? )• ( quand est-ce qu’on code ? )( quand est-ce qu’on code ? )

Qu’est-ce que Qu’est-ce que la recherche en synthèse d’images ?la recherche en synthèse d’images ?


• D’où viennent les participants ?D’où viennent les participants ?( dans industrie, labos, soumissions )( dans industrie, labos, soumissions )



– Contour flou: assemblée de disciplinesContour flou: assemblée de disciplines– Plusieurs angles/buts pour un problèmePlusieurs angles/buts pour un problème– Focus: application ultimeFocus: application ultime




• D’où viennent les problèmes / l’inspiration ?D’où viennent les problèmes / l’inspiration ?( industrie CG, «science pure», autres sciences)( industrie CG, «science pure», autres sciences)





– BAD SCIENCE:BAD SCIENCE: Vrai ? Attention aux prétextes ! Vrai ? Attention aux prétextes !– BAD SCIENCE:BAD SCIENCE: Attention aux «solutions without a problem» Attention aux «solutions without a problem» – GOOD SCIENCE:GOOD SCIENCE: Poser un problème Poser un problème (pour étude, article)(pour étude, article)






Poser un problèmePoser un problème (étude ou article)(étude ou article)

• Motivation du problèmeMotivation du problème (qu’est-ce qu’on cherche, et pourquoi ?)(qu’est-ce qu’on cherche, et pourquoi ?)Idem que but finaliste (appli) ou constructif (outils fondam.)Idem que but finaliste (appli) ou constructif (outils fondam.)

• Formaliser données/connaissancesFormaliser données/connaissances• Formaliser hypothèses Formaliser hypothèses (raisonnées)(raisonnées), ,

ObjectifsObjectifs (cahier des charges),(cahier des charges),

CritèresCritères• ContribContrib: Idée de l’approche: Idée de l’approche (algo & repr.) (algo & repr.)

• L’article:L’article:– Quel existant, quoi utile, quoi inadaptéQuel existant, quoi utile, quoi inadapté– Votre méthode Votre méthode (choix justifiés et discutés)(choix justifiés et discutés)

objectifs objectifs sous-pb sous-pb détails détails (c/ revue de code!)(c/ revue de code!)– Validation, les Validation, les ++, les , les --, perfs, comparaisons, perfs, comparaisons











– Relation aux autres sciences Relation aux autres sciences (prend, donne, boucles)(prend, donne, boucles)



– Contour flou: assemblée de disciplinesContour flou: assemblée de disciplines– Plusieurs angles pour un problèmePlusieurs angles pour un problème– Focus: application ultimeFocus: application ultime

• D’où viennent les problèmes / l’inspiration ?D’où viennent les problèmes / l’inspiration ?( industrie, «science pure», autres sciences)( industrie, «science pure», autres sciences)

– BAD SCIENCE:BAD SCIENCE: Vrai ? Attention aux prétextes ! Vrai ? Attention aux prétextes !– BAD SCIENCE:BAD SCIENCE: Attention aux «solutions without a problem» Attention aux «solutions without a problem» – GOOD SCIENCE:GOOD SCIENCE: Poser un problème Poser un problème (pour étude, article)(pour étude, article)– Relation aux autres sciences Relation aux autres sciences (prend, donne, boucles)(prend, donne, boucles)

Statut des modèles de la physiqueStatut des modèles de la physique«approche ‘physique’, exactitude/rigueur»«approche ‘physique’, exactitude/rigueur»

• Il n’existe pas de «modèle exact» en physiqueIl n’existe pas de «modèle exact» en physique• «Physique» «Physique» ≠≠ local local (equa-diff)(equa-diff)

• Local/macro, «rigoureux/empirique»: subjectif !Local/macro, «rigoureux/empirique»: subjectif !– mécaQ mécaQ molécules molécules phys stat phys stat thermodyn thermodyn

NS NS hydraulique/vagues/aérologie hydraulique/vagues/aérologie– mécaQ mécaQ champs EM champs EM Huygens Huygens optique géom. optique géom.

RT/radios/visibilitéRT/radios/visibilité• Hypothèses, conditions, limitesHypothèses, conditions, limites

ex, fluides continus: notion de P,T, V, parcelle (émergence)ex, fluides continus: notion de P,T, V, parcelle (émergence)

• Conditions limites (bords), paramètresConditions limites (bords), paramètres la moitié du problème est mal connue !la moitié du problème est mal connue !

• Pb numériques – pb de la résolutionPb numériques – pb de la résolution– modèles sous-maille: stade recherchemodèles sous-maille: stade recherche– sous-res sous-res erreurs qualitatives et quantitatives [SAA00] erreurs qualitatives et quantitatives [SAA00]

Outil, inspiration. Mais pas sacraliser. contextualiser!Outil, inspiration. Mais pas sacraliser. contextualiser!






– Relation aux autres sciences Relation aux autres sciences (prend, donne, boucles)(prend, donne, boucles)

Et moi, là dedans ?Et moi, là dedans ?• Industrie effets spéciauxIndustrie effets spéciaux (TDI,AW)(TDI,AW)

– Le graphiste, le spectateurLe graphiste, le spectateur

• HackerHacker (projets, assocs)(projets, assocs)

– Algo & repr. astucieux, faire l’impossibleAlgo & repr. astucieux, faire l’impossible

• Maths ApplisMaths Applis (DESS/ENST, EDF,FT)(DESS/ENST, EDF,FT)

– Outils théoriques (moitié)Outils théoriques (moitié)

• Passion des sciencesPassion des sciences– Comment fonctionne la nature ? Les sens ?Comment fonctionne la nature ? Les sens ?

Cible: Cible: graphistes graphistes && spectateurs spectateurs Outil: Outil: ReprésentationsReprésentations Contexte applicatif: Contexte applicatif: Scènes naturellesScènes naturelles

Que veulent les graphistes ?Que veulent les graphistes ?• Spectateur:Spectateur:

– Veut juste du Veut juste du plausibleplausible– Mais Mais œœil expertil expert– RésultatRésultat en tout pixel en tout pixel

Que veulent les graphistes ?Que veulent les graphistes ?• Graphiste:Graphiste:

– Super-spectateurSuper-spectateur

– ScénarioScénario– Outil pour s’exprimerOutil pour s’exprimer: pas boîte noire !: pas boîte noire !




• UtilisableUtilisable• Contrôlable Contrôlable • Param intuitifs et prédictibles Param intuitifs et prédictibles • Espace suffisament riche / pertinentEspace suffisament riche / pertinent• Feedback (Feedback ( rapide) rapide)• Cette scène, ce plan. tous outils dispo, + a la manoCette scène, ce plan. tous outils dispo, + a la mano




• UtilisableUtilisable• Contrôlable Contrôlable • Param intuitifs et prédictibles Param intuitifs et prédictibles • Espace suffisament riche / pertinentEspace suffisament riche / pertinent• Feedback (Feedback ( rapide) rapide)• Cette scène, ce plan. tous outils dispo, + a la manoCette scène, ce plan. tous outils dispo, + a la mano

– Aime défis / tenaceAime défis / tenace– Extra-terrestreExtra-terrestre

• Ce qu’il fait, personne ne le ferait Ce qu’il fait, personne ne le ferait • L’observer, ne pas le croireL’observer, ne pas le croire

Et moi, là dedans ?Et moi, là dedans ?• Industrie effets spéciauxIndustrie effets spéciaux (TDI,AW)(TDI,AW)

– Le graphiste, le spectateurLe graphiste, le spectateur

• HackerHacker (projets, assocs)(projets, assocs)

– Algo & repr. astucieux, faire l’impossibleAlgo & repr. astucieux, faire l’impossible

• Maths ApplisMaths Applis (DESS/ENST, EDF,FT)(DESS/ENST, EDF,FT)

– Outils théoriques (moitié)Outils théoriques (moitié)

• Passion des sciencesPassion des sciences– Comment fonctionne la nature ? Les sens ?Comment fonctionne la nature ? Les sens ?

Cible: Cible: graphistes graphistes && spectateurs spectateurs Outil: Outil: ReprésentationsReprésentations Contexte applicatif: Contexte applicatif: Scènes naturellesScènes naturelles

• ForêtsForêts:: AM, AM, FC,FC, PhDPhD

• RivièresRivières:: NP,CD,AP,FR, NP,CD,AP,FR, Qizhi YuQizhi Yu

• OcéanOcéan:: DHDH

• AvalanchesAvalanches:: DH,FB,MRDH,FB,MR

• NuagesNuages:: Antoine Bouthors, Antoine Bouthors, SLSL

• FuméeFumée:: AAAA

• FlownoiseFlownoise:: KP, KP, AAAA22

• Textures, repr alt, GPUTextures, repr alt, GPU:: SLSL

• Plis, morphogénèsePlis, morphogénèse:: JCJC

Collabs:Collabs: Vertigo, Prodige, Revpe, NatSim Vertigo, Prodige, Revpe, NatSim

• Buts:Buts:– Très grande Très grande complexitécomplexité de détails, scènes vastes de détails, scènes vastes– Bas coûtBas coût en calcul et mémoire en calcul et mémoire– Haute Haute contrôlabilitécontrôlabilité

• Approches:Approches:– Représentations alternativesReprésentations alternatives

• Textures volumiquesTextures volumiques• GPUGPU• Textures Textures

– Simulation phénoménologiqueSimulation phénoménologique• FormeForme• AnimAnim• RenduRendu

• Appli: scènes naturellesAppli: scènes naturelles– Paysages Paysages (forêt, …)(forêt, …)– EauEau (rivières, ocean, …) (rivières, ocean, …)– Nuages Nuages (forme, mouvement, rendu), (forme, mouvement, rendu), fumée…fumée…– Surfaces complexes Surfaces complexes (écorces, plissements…)(écorces, plissements…)

Etudier le réel :Etudier le réel :scènes & phénomènes naturelsscènes & phénomènes naturels

Equation physique Equation physique vs vs nature réelle nature réelle– Structuré Structuré vsvs ‘flou’, connu ‘flou’, connu vsvs bruit & fluctuations bruit & fluctuations

Symétries,régularités,rigidités artificiellesSymétries,régularités,rigidités artificielles– Hypothèses clandestines Hypothèses clandestines (fléau !)(fléau !) – CL: les parois, ces inconnues ! CL: les parois, ces inconnues ! (géom, val paramètres) (géom, val paramètres) – Phénomènes émergentsPhénomènes émergents– Simu: résultat change avec résol Simu: résultat change avec résol [PDI-LF02][PDI-LF02]

Etudier le réel :Etudier le réel :scènes & phénomènes naturelsscènes & phénomènes naturels

Equation physique Equation physique vs vs nature réelle nature réelle– Structuré Structuré vsvs ‘flou’, connu ‘flou’, connu vsvs bruit & fluctuations bruit & fluctuations

Symétries,régularités,rigidités artificiellesSymétries,régularités,rigidités artificielles– Hypothèses clandestines Hypothèses clandestines (fléau !)(fléau !) – CL: les parois, ces inconnues ! CL: les parois, ces inconnues ! (géom, val paramètres) (géom, val paramètres) – Phénomènes émergeantsPhénomènes émergeants– Simu: résultat change avec résol Simu: résultat change avec résol [PDI-LF02][PDI-LF02]

A.Fournier:A.Fournier: partir des images réelles, partir des images réelles, finir par images réellesfinir par images réelles (inspiration, validation) (inspiration, validation)

– Visiter, photographier, filmer, toucher, dessiner Visiter, photographier, filmer, toucher, dessiner apprendre à voir, trouver le sensapprendre à voir, trouver le sens

– Pb validation subjectivePb validation subjective

• Buts:Buts:– Très grande complexité de détails, scènes vastesTrès grande complexité de détails, scènes vastes– Bas coût en calcul et mémoireBas coût en calcul et mémoire– Haute contrôlabilitéHaute contrôlabilité

• Approches:Approches:– Représentations alternativesReprésentations alternatives

• Textures volumiquesTextures volumiques• GPUGPU• Textures Textures

– Simulation phénoménologiqueSimulation phénoménologique• FormeForme• AnimAnim• RenduRendu

• Appli: scènes naturellesAppli: scènes naturelles– Paysages Paysages (forêt, …)(forêt, …)– EauEau (rivières, ocean, …) (rivières, ocean, …)– Nuages Nuages (forme, mouvement, rendu), (forme, mouvement, rendu), fumée…fumée…– Surfaces complexes Surfaces complexes (écorces, plissements…)(écorces, plissements…)

Représentations alternativesReprésentations alternatives• Échelles: Échelles: ((≠ ≠ sens, perception, buts, données, simu)sens, perception, buts, données, simu)

modèles différenciés couplésmodèles différenciés couplés

• Formes, surfaces: notions subjectives !Formes, surfaces: notions subjectives !

• Comment représenter le monde ?Comment représenter le monde ?– Ce qu’on sait / ce qu’on voit Ce qu’on sait / ce qu’on voit (forme, relief…)(forme, relief…)– Approche minimaliste, impressionnisteApproche minimaliste, impressionniste

séparerséparer forme/relief, normales, shading forme/relief, normales, shading Adaptatif: hiérarchie de modèles Adaptatif: hiérarchie de modèles [Kaj85][Kaj85]

– Repr. des formes: maillages, surfels, voxels…Repr. des formes: maillages, surfels, voxels… Propriétés Propriétés ≠ ≠ :: structuration, coût, filtrage…structuration, coût, filtrage…

– Découpler Découpler (géom / espace texturel)(géom / espace texturel)

• Mes contribs: Mes contribs: espace texturel espace texturel reflectance reflectance (NDF (NDF [Fou92][Fou92] ))

texcells texcells (Tex Vol (Tex Vol [KK89][KK89])) repr. vectorielles pour fluides repr. vectorielles pour fluides

Représentations alternativesReprésentations alternatives• Échelles:Échelles: ((≠ ≠ sens, perception, buts, données, simu)sens, perception, buts, données, simu)





















• Comment représenter le monde ?Comment représenter le monde ?– Ce qu’on saitCe qu’on sait / / ce qu’on voitce qu’on voit (forme, relief…)(forme, relief…)– Approche Approche minimalisteminimaliste, , impressionnisteimpressionniste











– Repr. des formesRepr. des formes: maillages, surfels, voxels…: maillages, surfels, voxels… Propriétés Propriétés ≠ ≠ :: structuration, coût, filtrage…structuration, coût, filtrage…









– Repr. des formesRepr. des formes: maillages, surfels, voxels…: maillages, surfels, voxels… Propriétés Propriétés ≠ ≠ :: structuration, coût, filtrage…structuration, coût, filtrage…


• Mes contribs: Mes contribs: espace texturel espace texturel reflectance reflectance (NDF (NDF [Fou92][Fou92]))


Représentations alternativesReprésentations alternatives• Échelles: Échelles: ((≠ ≠ sens, perception, buts, données, simu)sens, perception, buts, données, simu)







• Mes contribs:Mes contribs: espace texturel espace texturel reflectance reflectance (NDF (NDF [Fou92][Fou92]))


Simulation phénomènologiqueSimulation phénomènologique• Vaste + haute rés.: simu phys hors de portée. + Vaste + haute rés.: simu phys hors de portée. + [PDI-LF02][PDI-LF02] • Mais connaissances a priori ! Mais connaissances a priori !

– plages valeurs, seuils, régimes, prépondérances, modes…plages valeurs, seuils, régimes, prépondérances, modes…

• Effets émergentsEffets émergents: : instabil., ondes, plis, forme équil. … instabil., ondes, plis, forme équil. …– Equations: indirect, phys++. Mais prévisibleEquations: indirect, phys++. Mais prévisible– Proche du sens, macroscopique Proche du sens, macroscopique

• Repr. directe des phénomènes émergentsRepr. directe des phénomènes émergents– Phys macro Phys macro ( phénoménologique / empirique / analytique )( phénoménologique / empirique / analytique )

• Modèle dispo / analytique / obs. directe / obs. simu de refModèle dispo / analytique / obs. directe / obs. simu de ref– Primitive macroPrimitive macro– Il faut revisiter,s’approprier, inventer, généraliser…Il faut revisiter,s’approprier, inventer, généraliser…– Pas facile, tout à faire, ingrat, mais résultats++Pas facile, tout à faire, ingrat, mais résultats++

• Couplage avec simulation Couplage avec simulation

• Mes contribs:Mes contribs: (repr alt macro) (repr alt macro) vorticité vorticité forme et mvt surface d’eau forme et mvt surface d’eau

rendu des nuages rendu des nuages formes de croissance formes de croissance

Simulation phénomènologiqueSimulation phénomènologique• Vaste + haute rés.: simu phys hors de portée. + Vaste + haute rés.: simu phys hors de portée. + [PDI-LF02][PDI-LF02]

• Mais Mais connaissances a prioriconnaissances a priori ! ! – plages valeurs, seuils, régimes, prépondérances, modes…plages valeurs, seuils, régimes, prépondérances, modes…


















• Repr. directe des phénomènes émergentsRepr. directe des phénomènes émergents– Phys macro Phys macro ( ( phénoménologique phénoménologique // empirique empirique / / analytique analytique ))









• Modèle dispo / analytique / obs. directe / obs. simu de refModèle dispo / analytique / obs. directe / obs. simu de ref– Primitive macroPrimitive macro– Il faut revisiter, s’approprier, inventer, généraliser…Il faut revisiter, s’approprier, inventer, généraliser…– Pas facile, tout à faire, ingrat, mais résultats++Pas facile, tout à faire, ingrat, mais résultats++








• Modèle dispo / analytique / obs. directe / obs. simu de refModèle dispo / analytique / obs. directe / obs. simu de ref– Primitive macroPrimitive macro– Il faut revisiter, s’approprier, inventer, généraliser…Il faut revisiter, s’approprier, inventer, généraliser…– Pas facile, tout à faire, ingrat, mais résultats++Pas facile, tout à faire, ingrat, mais résultats++

• CouplageCouplage avec simulation avec simulation



Simulation phénomènologiqueSimulation phénomènologique• Vaste + haute rés.: simu phys hors de portéeVaste + haute rés.: simu phys hors de portée• Mais connaissances a priori ! Mais connaissances a priori !

– plages valeurs, seuils, régimes, prépondérances, modes…plages valeurs, seuils, régimes, prépondérances, modes…






rendu des nuages rendu des nuages formes de croissanceformes de croissance

Points durs à résoudrePoints durs à résoudre• Graal: explorer paysage, panache fumée…Graal: explorer paysage, panache fumée…

• Falaises, spec paysage, simu géologique…Falaises, spec paysage, simu géologique…• Vent, bourrasques, ‘pattes de chat’Vent, bourrasques, ‘pattes de chat’

• Distributions, interpolation, echantillonnage, pixelsDistributions, interpolation, echantillonnage, pixels• Filtrage texture et geomFiltrage texture et geom

• Qu’est-ce qu’une texture ?Qu’est-ce qu’une texture ?• Comment exploiter perception ?Comment exploiter perception ?• Générique ou spécifique ?Générique ou spécifique ?













Filtrage des textures Filtrage des textures (interp, MIPmap)(interp, MIPmap)

• Hypothèses clandestines:Hypothèses clandestines:– Linéarité 1:Linéarité 1: N, courb., visibilité, ombres, param. constN, courb., visibilité, ombres, param. const

pb: micro-géométrie ! Filtrage ultime !pb: micro-géométrie ! Filtrage ultime !– Linéarité 2:Linéarité 2: fragment = lin(texture) , i.e.: text = RGBAfragment = lin(texture) , i.e.: text = RGBA

pb: textures banalisées (Z,N,…) !pb: textures banalisées (Z,N,…) !– Continuité:Continuité: néglige bords, trous, atlas, tilesnéglige bords, trous, atlas, tiles

pb: indirectionspb: indirections ! !

• Filtrage de géométrie:Filtrage de géométrie:

– Polygones pas antialiasésPolygones pas antialiasés– + en + petits+ en + petits– Pas filtrables en amontPas filtrables en amont repr alt, transition de modèlerepr alt, transition de modèle











– Polygones pas antialiasésPolygones pas antialiasés– + en + petits+ en + petits– Pas filtrables en amontPas filtrables en amont repr alt, transition de modèlerepr alt, transition de modèle











– Polygones pas antialiasésPolygones pas antialiasés– + en + petits+ en + petits– Pas filtrables en amontPas filtrables en amont repr alt, transition de modèle repr alt, transition de modèle [Kaj85][Kaj85]





Résumé / conclusionRésumé / conclusion• Qu’est ce qu’on cherche ?Qu’est ce qu’on cherche ?• Quels critèresQuels critères

– (graphiste/spectateur)(graphiste/spectateur)

• Chasse aux hypothèses clandestinesChasse aux hypothèses clandestines• Du bon usage de la physiqueDu bon usage de la physique

• Commencer par les vraies images, finir par…idemCommencer par les vraies images, finir par…idem

• De l’imagination dans les outils:De l’imagination dans les outils:– Représentations alternatives Représentations alternatives (minimalistes/impressionistes)(minimalistes/impressionistes)

– Approches phéno/macro/empiriquesApproches phéno/macro/empiriques

Résumé / conclusionRésumé / conclusion J’ai pas dit que j’avais tj appliqué J’ai pas dit que j’avais tj appliqué

Beaucoup commencé, peu fini…Beaucoup commencé, peu fini…

Y’a d’la place pour tout le mondeY’a d’la place pour tout le monde

merci aux merci aux étudiants !étudiants !





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