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Géométrie
algorithmique
Participants : Marie-Paule Cani, Gilles Debunne, Eric
Ferley, Jean-Dominique Gascuel.
Les efforts de développement dans le domaine de l'``Animation'' au sein d'iMAGIS sont factorisés dans le système Fabule, et coordonnés par Jean-Dominique Gasucel. Le but premier est de réduire les délais entre la conceptualisation d'un algorithme nouveau, les tests, l'expérimentation dans un cadre interactif, et pour finir la production d'une séquence vidéo illustrant des résultats.
Pour que plusieurs chercheurs puissent expérimenter de nouveaux modèles (il s'agit principalement d'animation par ``modèles physiques'') dans le cadre de Fabule, nous avons opté sur une bibliothèque orientée objet, interfacée avec un langage interprété pour faciliter la génération de démonstrateurs.
Commencé début 1994, l'environnement comprend aujourd'hui 50.000 lignes de C++, et 20.000 de Tcl (le langage interprété). Cet environnement est adapté à l'animation par modéle générateurs d'objets rigides, deformables ou très déformables ; aux systèmes de particules ; et aux surfaces implicites.
En 1998, une ``couche'' d'interface graphique a été créé, de façon à rendre les développement Fabule plus portable. Une permière version d'une implémentation de cette même interface a été developée dans le logiciel SoftImage (Avid) --l'un des deux grands logiciels industriels de création d'images de synthèse-- afin d'une part de bénéficier d'un environnement encore plus complet, et d'autre part de pouvoir démontrer nos résultats et notre savoir faire plus facilement à l'extérieur.
Une interface avec Maya (Alias|Wavefront) --l'autre grand logiciel industriel de synthèse d'images-- devrait également voir le jour, ainsi qu'une version Performer et/ou OpenGL sur PC.
Les surfaces implicites (iso-surfaces d'un champ potentiel) permettent de modéliser très facilement des formes de topologie et de géométrie complexe (en particulier celles comportant des trous et des embranchements, difficiles à obtenir avec des surfaces paramétriques de forme libre), tout en optimisant les test d'appartenance utilisés pour le rendu, pour les détections de collision en animation, ou pour les calculs d'erreur en reconstruction automatique à partir de points de données.
La modélisation de formes très complexes, des modèles de visage utilisés pour les applications audiovisuelles aux carrosseries de voitures de l'industrie automobile, passe le plus souvent, aussi surprenant que cela puisse paraître, par le modelage de maquettes en terre glaise qui sont ensuite laborieusement digitalisées.
Une thèse, co-financée par Renault SA, vise à mettre au point un système de sculpture virtuelle partiellement immersif (casque de vision 3D et interface à retour d'effort). L'utilisation de logiciels numériques, accessible par des artistes, apporterait des avantages indéniables, comme la possibilité d'opérations de couper-coller, le fait de pouvoir revenir à un état précédent si les dernières modifications ne sont pas satisfaisantes.
Le modèle déformable est une isosurface d'un champs potentiel dont des valeurs discrètes, stoquées sur une grille spatiale, sont éditées au cours du temps par des outils manipulés par l'utilisateur. Ce modèle permet de concevoir des formes de topologie et de géométrie arbitraires, et sera à terme accompagné d'un retour d'effort sur l'interface mécanique manipulée par l'utilisateur.
Un prototype a été dévelopé, permettant l'ajout et la suppression de matière, et le modèlage par contact. Le tout marche en temps réel grâce à un ``marching cube'' incremental.
Nous avons développé un ensemble très complet d'outils permettant de simuler efficacement le mouvement et les interactions d'objets rigides, qui peuvent être reliés par des contraintes articulaires : animation par positions clés, cinématique inverse, dynamique directe, dynamique inverse, calcul des forces de réaction et de frottement lors de collisions ou de contacts entre solides.
En 1998, la collaboration avec Franck Multon (IRISA) sur les modles de marche s'est poursuivie, avec en particulier, un tour d'horizon qui vient d'être accepté dans un journal international [[2]].
Les modèles de contact -utilisés dans la simulation des zones à risque pour les chutes de blocs rocheux- se sont enrichis d'un bruit de Perlin afin d'améliorer les prévisions statistiques.
Participants : Marie-Paule Cani, Mathieu Desbrun,
Jean-Dominique Gascuel.
Les modèles de matériaux très déformables utilisés en synthèse d'image ont longtemps reposé sur un échantillonnage de la matière par des systèmes de particules (masses élémentaires régies par des forces d'attraction-répulsion) extrêmement gourmands en temps de calcul et souvent difficiles à contrôler. Pour permettre une simulation en des temps raisonnables, l'adaptation automatique dans le temps et dans l'espace du nombre et de la taille des particules s'avérait indispensable. L'utilisation de ``particules lissées'', s'inspirant du modèle SPH (Smoothed Particles Hydrodynamics) développé en astro-physique, nous a permis de le faire : déduisant les forces inter-particulaires d'une équation d'état, ce modèle nous permet d'assurer la conservation des caractéristiques mécaniques du matériau simulé, tout en réadaptant à chaque instant le système de particules aux besoins locaux de la simulation (processus de subdivision et de regroupement). Ce travail a fait l'objet de la thèse de Mathieu Desbrun (prix de thèse de l'INPG en 1998).
Dans le cadre d'une application à l'animation de coulées de lave [[11]], nous avons complété le modèle en permettant une modification au cours du temps de la viscosité du matériau en fonction de sa température, calculée grâce à la simulation des transferts de chaleur (cf figure 5). Un travail sur l'habillage du système de particules par une surface déformable, définie par une équation implicite, puis par des textures en relief nous a permis de calculer des images visuellement réalistes de coulées de lave (cf 5.1.5), succeptibles d'être utilisées pour des applications à la création d'effets spéciaux.
En collaboration avec : Mathieu Desbrun, Alan Barr à Caltech, et avec Francois Boux de Casson, projet SHARP.
S'ils sont calculables en des temps raisonnables, les modèles très déformables précédents ne peuvent pas atteindre le temps réel indispensable à la réalisation de simulateurs, du fait du caractère non-structuré de la matière qui conduit à une ré-évaluation, pour chaque particule et à chaque instant, des particules voisines. Le calcul des représentations d'un objet à différentes résolutions peut-être par contre effectué à l'avance lorsque le matériau est structuré, et qu'il ne peut pas subir de trop fortes déformations sans se rompre. Définir un modèle temps réel pour ce type de matériau fait actuellement l'objet de la thèse de Gilles Debunne, qui nous a permis d'entamer une collaboration avec l'Université américaine Caltech. D'autres aspects, comme la simulation efficace des phénomènes de rupture, seront étudiés dans la thèse de François Boux-de-Casson, en collaboration avec le projet SHARP de l'INRIA Rhone-Alpes. Nous appliquons ces travaux à la simulation de chirurgie dans le cadre de l'action incitative AISIM (cf 7.2.2).
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La modélisation de tout ou partie du corps humain est l'un des défis de l'animation de synthèse. Les applications d'une telle modélisation vont de l'enseignement et de l'aide au diagnostic en médecine à l'animation de modèles sophistiqués de personnages pour les applications à l'audiovisuel. Dans le premier contexte, nous étudions la modélisation fine des tissus biologiques humains en vue de la simulation d'organes hétérogènes, dans le cadre de l'action incitative inter-GDR-PRC ``Coeur Battant'', soutenue par le MENRT.
En ce qui concerne l'animation de personnages dans leur ensemble, nous avons déjà travaillé au sein du projet iMAGIS sur la simulation et le contrôle de mouvements tels que la marche, en collaboration avec les projets SIAMES et BIP de l'INRIA. Compléter ces techniques de contrôle par un modèle déformable hétérogène permettant de simuler les déformations des muscles, de la chair, ou de la peau fait l'objet d'un projet de DEA en cours.
Enfin, nous travaillons sur la simulation de chevelures, un point important pour le réalisme visuel des acteurs de synthèse, dans le cadre d'une collaboration avec l'Université de Montréal, soutenue par le centre Jacques Cartier. Nous avons déjà mis au point un modèle à couches permettant de structurer une chevelure virtuelle en un ensemble de mèches inter-agissantes. Notre projet de recherche va se poursuivre par la mise en place d'une animation adaptative des mèches, ces dernières pouvant se subdiviser ou se regrouper au cours du mouvement en fonction des déformations qui sont calculées.
