Projet : iMAGIS - Visualisation, rendu et simulation de l'éclairage

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Visualisation, rendu et simulation de l'éclairage

Participants : George Drettakis, Fabrice Neyret, Claude Puech, François Sillion, Pierre-François Clerc, Cyrille Damez, Frédo Durand, Xavier Granier, Jean-Marc Hasenfratz, Céline Loscos, Alexandre Meyer, Frédéric Perez, Cyril Soler, Jérémie Turbet, Bruce Walter.

Méthodes hiérarchiques pour la simulation de l'éclairage

Participants : François Sillion, George Drettakis, Cyrille Damez, Jean-Marc Hasenfratz, Frédéric Perez, Cyril Soler, Jérémie Turbet.

Nos travaux portent sur la définition de techniques de calcul hiérarchiques, permettant de réaliser des approximations bien contrôlées et d'accélérer ainsi les simulations. Nous avons en particulier travaillé dans le cadre des projet ESPRIT ``ARCADE'' (making radiosity usable) et ``SIMULGEN'' sur les aspects suivants :

Développement des techniques de clustering, ou regroupement d'objets. Les techniques existantes sont en effet limitées, soit parce qu'elles nécessitent des temps de construction trop important, soit parce qu'elles ne permettent pas une exploitation optimale dans le cadre de la radiosité hiérarchique : on souhaite disposer d'une hiérarchie de clusters telle que le choix d'un niveau hiérarchique pour conduire un calcul se traduise directement par un niveau d'approximation cohérent. Nous avons donc travaillé à l'analyse des limitations des approches existantes, et à la proposition de nouveaux algorithmes de regroupement. Nous avons également developé un algorithme de ``clustering'' pour les sources de lumières dans le cadre de l'algorithme de tracé de rayons, dans le but de trouver une solution générale [[9]].
Dans le cadre du projet SIMULGEN, nous avons comparé diverses techniques de représentation de distributions directionnelles, utilisées notamment pour exprimer la répartition de la lumière quittant une surface spéculaire ou un groupe d'objets.
Nous avons lancé un projet de recherche concernant la simulation hiérarchique à base de radiosité intégrant une dimension temporelle. L'objectif est de permettre une simulation de grande qualité pour des animations dans lesquelles les mouvements et évolutions temporalles sont connues à l'avance (cas des effets spéciaux cinéma). Par un raffinement hiérarchique couplé dans les domaines spatial et temporel, on espère ainsi réduire très fortement les temps de calcul, tout en assurant une qualité maximale selon des critères de continuité temporelle.
Dans le cadre de notre collaboration avec le Laboratoire 3S (Sols Solides Structures), nous avons poursuivi le développement de techniques de simplification hiérarchiques de maillages pour l'application aux simulations de radiosité. Stéphane Maza a ainsi soutenu sa thèse proposant un système complet, dans lequel un maillage quelconque est automatiquement découpé en ``partitions'', lesquelles peuvent ensuite être représentées à des niveaux de détail croissants au fur et à mesure de l'avancement des calculs (et en fonction de l'éclairage calculé) [[7],[6]].

Contrôle de la précision des simulations de radiosité

Participants : François Sillion, Cyril Soler, Jérémie Turbet.

Nous avons poursuivi nos expérimentations sur les critères de subdivision pour le contrôle du raffinement hiérarchique. Il s'agit d'un des problèmes centraux pour le développement d'algorithmes robustes et utilisables sur des scènes de taille ``industrielle'', ce qui est l'objectif du projet ARCADE.

Nous avons en particulier proposé de nouvelles techniques de calcul d'ombres, utilisant des calculs de convolution sur des images auxiliaires des sources de lumière et des obstacles. Ces techniques fournissent des ombres approximatives, mais de trs grande qualité visuelle. Elles permettent un contrôle du degré d'approximation introduit, autorisant ainsi leur intégration dans un système de calcul hiérarchique [[3],[10]]

**Figure 1:** Exemple d'ombres progressives calculées par une technique de convolution.
$\begin{figure} \centerline{ \epsfxsize=8cm\epsfbox{FIGURES/CSOL_plante.ps} } \end{figure}$

Visualisation interactive de données urbaines

Participant : François Sillion.

La visualisation de très grands volumes de données est un problème récurrent dans de très nombreuses applications graphiques : en effet, avec l'avènement de techniques de simulation fiables et les techniques de réalité virtuelle, la croissance du volume de données à traiter est largement supérieure à l'augmentation de capacité des matériels graphiques (pourtant déjà impressionnante !). Par ailleurs, le cas particulier des données urbaines est intéressant à un double titre. Tout d'abord, les applications concernées sont nombreuses, allant des simulateurs de conduite au tourisme virtuel en passant par l'éducation, l'évaluation de projets d'aménagement urbains et les jeux. De plus, la morphologie urbaine impose des contraintes fortes sur la structuration des données, et cette structure peut à notre sens être exploitée pour obtenir des algorithmes de visualisation très performants.

Nous avons continué à développer le concept d'imposteur pour l'accélération de la visualisation de données urbaines, en recherchant l'élimination de certains artefacts visuels (tels que la disparition d'objets ou la déformation des immeubles). Pour cela, nous travaillons à la construction d'imposteurs multi-couches à partir d'images synthétiques.

**Figure 2:** Exemple de maquette urbaine complexe dans laquelle on peut naviguer rapidement.
$\begin{figure} \centerline{ \epsfxsize=8cm\epsfbox{FIGURES/FXS_ville.ps} } \end{figure}$

Visualisation interactive distribuée

Participant : François Sillion.

L'explosion des réseaux survient précisément au moment où la possibilité de traiter des scènes graphiques 3D se généralise jusqu'aux PC ``grand-public''. Si l'on imagine des applications distribuées dans lesquelles un serveur doit fournir des données graphiques à un nombre variable de clients, travaillant sur des machines de performance inégale, à travers des réseaux plus ou moins rapides, il est intéressant de rechercher de quelle façon l'on peut moduler la quantité et la qualité des informations transmises, pour garantir à tous les clients une expérience interactive. Dans ce contexte, on cherche donc à proposer de nouveaux modes de découpage des opérations graphiques, permettant de s'adapter (à terme, de façon dynamique) aux capacités de tous les étages du système.

Nous avons construit un démonstrateur basé sur nos travaux de visualisation urbaine, dans lequel un ``serveur'' construit à la demande les imposteurs nécessaires pour la visualisation à travers un client (connecté par le réseau).

Représentations alternatives

Participants : Fabrice Neyret, Alexandre Meyer.

$\bullet$ Les texels permettent de représenter des objets complexes dont les détails sont petits par des volumes multiéchelles dont les voxels contiennent une densité et une fonction de réflectance. Cette approche permet de gagner en qualité d'image, en temps de calcul de rendu, et en simplicité de spécification pour l'utilisateur, de part ses aspects structurants et multiéchelle.

Nous avons développé ce modèle depuis quelques années pour des applications de type effets spéciaux pour l'audiovisuel, donc dans un contexte de calcul off-line (i.e. ray-tracing). Nous avons travaillé cette année à l'adaptation du modèle au contexte temps-réel, en s'appuyant sur les fonctionnalités des librairies graphiques recourant au hardware graphique [[8]]. Le prototype développé permet de tracer des scènes de 13 million de polygones apparents en 0.4 secondes sur SGI O2 (cf figure 3).

$\bullet$ Nous avons d'autre part travaillé à la simulation visuelle d'une coulée de lave, dans le même esprit de séparer les traitements à l'échelle globale et à l'échelle locale. Ici, la surface de la coulée est obtenue par simulation physique à base de particules (cf 5.2.4). Il s'agit d'habiller cette surface par un modèle local en relief visuellement satisfaisant, pour représenter le fluide visqueux et la croute en formation. Nous avons développé un tel modèle d'habillage [[11]] en construisant des textures de déplacement vertical (et de couleur), inspirées du modèle procédural de Perlin, dans le voisinage des particules de la surface (via construction de leur diagramme de Voronoi). La difficulté consiste à obtenir une surface perturbée continue dérivable malgré la nature locale de la construction des textures. Des animations tenant compte de la solidification progressive ont été obtenues (cf figure 3).

**Figure 3:** *A gauche:* objet de 13 millions de polygones apparents, modélisé avec 100 texels, tracées en 0.4 s. *A droite:* animation de la coulée de lave en cours de solidification.
$\begin{figure} \centerline{ \epsfxsize=4.5cm\epsfbox{FIGURES/F_sphrepli4.ps} \hfill % \epsfxsize=10cm\epsfbox{FIGURES/MP_F_lave.ps} % }\end{figure}$

Aspect de surface

Participant : Fabrice Neyret.

$\bullet$ Dans le cadre de l'Action Incitative AISIM (cf 7.2.2), visant à la construction d'un simulateur d'opération chirurgicale du foie par laparoscopie (i.e. fibroscopie + instruments chirurgicaux dédiés), nous avons travaillé (entre autre) à la visualisation en temps réel de la surface de l'organe en cours d'opération.

Nous nous sommes attachés à rendre compte du grain de la peau, des reflets de la fibre optique, et de la réaction de l'organe à l'action des instruments (contusion, pâliement, cautérisation). Le temps réel étant largement obtenu (cf résultats en figure 4), nous allons maintenant travailler à enrichir la palette d'effets pris en compte.

**Figure 4:** *A gauche:* grain de la peau, reflets de la source, marques de cautérisation, visualisés en temps réel. *A droite:* deux images avec texture de Perlin calculées en temps réel.
$\begin{figure} \centerline{ \epsfxsize=7cm\epsfbox{FIGURES/F_foie3.ps} \hfill % ... ...n1.ps} \hfill % \epsfxsize=3.5cm\epsfbox{FIGURES/F_perlin2.ps} % }\end{figure}$

$\bullet$ D'autre part, nous nous sommes intéressés à la spécification d'attributs de surface en temps réel :

Les textures procédurales de Perlin constituent un outil de description de textures puissant et fortement utilisé en production audiovisuelle, basé sur le controle de la distribution en fréquence des attributs de surface (e.g. couleur). Cet outil est dédié au contexte off-line (i.e. ray-tracing), et nécessite notamment l´évaluation d'une expression mathématique à chaque pixel de l´écran.

Nous avons travaillé à adapter ce modèle au contexte temps-réel, en ramenant au formalisme sur-contraint des bibliothèques graphiques les équations qui décrivent ces textures. Une bibliothèque de textures de Perlin, extention d'OpenGL, a été développée (voir résultats en figure 4), ainsi qu'un programme de réglage interactif des paramètres de la texture permettant la visualisation interactive du résultat sur une scène.

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