Modèle multi-échelle de rendu de phénomènes atmosphériques

Sujets de thèse 2013

Intitulé de la thèse
Modèle multi-échelle de rendu de phénomènes atmosphériques
Publication du sujet sur le site de l’ABG : NON
Nature du financement : Financement institutionnel, Contrat Doctoral, Financement régional, Contrats université sur projets,)
Spécialité de doctorat : Informatique et Applications

Lieu de travail
Laboratoire XLIM
123, avenue Albert Thomas
87060 LIMOGES
Département DMI
Equipe Synthèse d’Images Réalistes
Laboratoire d’accueil : XLIM/DMI

Présentation de l’équipe de recherche
L’équipe SIR de l’Institut XLIM est actuellement composée de sept enseignants-chercheurs permanents, d’un professeur associé et d’un ingénieur de recherche. Les activités de recherche de l’équipe ont essentiellement trait aux techniques de rendu réaliste en synthèse d’images.

Résumé de la thèse en français
Plusieurs études ont proposé des représentations de la pluie GN06, LCG08, YZZ04]. ATI [TI06] et Nvidia [Tari07] décrivent de nombreux effets, tels que les éclaboussures et les écoulements d’eau, pouvant être observés dans des vidéos. Mais ces méthodes ne sont pas physiquement « plausibles » et ne peuvent donc pas être utilisées pour simuler précisément ces phénomènes. Rousseau et al [RJG06] ont présenté un modèle physique de pluie réaliste, permettant notamment de simuler l’effet de réfraction de l’environnement à l’intérieur d’un ensemble de gouttes d’eau tombant d’un nuage et ce, en temps réel. De part la nature du modèle proposé, [RJG06] anime le système de particules en fonction du vent et [RJG09] détecte les collisions des gouttes avec les objets d’une scène. La pluie induit d’autres effets atmosphériques qui ne peuvent pas être représentés par des particules ou des textures simples. Ils conduisent à des changements complexes des propriétés optiques (herbe mouillée, phénomènes d’évaporation, brouillard en arrière-plan) difficiles à contrôler individuellement par les utilisateurs. Une modélisation physique des phénomènes atmosphériques est nécessaire afin d’améliorer la création de grandes scènes réalistes.
Afin de représenter l’ensemble de ces phénomènes, les simulations doivent utiliser des modèles hybrides permettant un passage continu entre la goutte d’eau (particule) et le brouillard (milieu participant). Nous avons l’intention d’améliorer cette transition avec un nouvelle approche qui s’appuiera sur la création d’un modèle multi-échelles composé de zones générées en fonction de la distance à l’observateur. Ce modèle permettra de réduire progressivement la visibilité jusqu’à l’infini. Le processus pour obtenir ces paramètres sera basé sur l’analyse d’images de paysage pluvieux et des vidéos. Cette extraction d’information, permettra de quantifier les variations des coefficients de visibilité en fonction de la distance pluie-caméra. Nous proposons aussi de tenir compte, dans notre simulation de rendu, des paramètres des appareils photo ou des caméras afin de reproduire des phénomènes engendrés par les systèmes optiques. Notre objectif est de permettre à un artiste de modifier la simulation de pluie et des effets induits intuitivement et en temps réel.

[GN06] K. Garg and S. K. Nayar, « Photorealistic rendering of rain streaks, » ACM SIGGRAPH, pp 996–1002, 2006.
[LCG08] J. Lopez-moreno, A. Cabanes, and D. Gutierrez, « Image-based participating media, » in CEIG, vol. 5, 2008, pp. 179-188.
[RJG06] P. Rousseau, V. Jolivet and D. Ghazanfarpour. Realistic Real-Time Rain Rendering, Computers & Graphics, vol. 30(4), pp 507-518, 2006.
[RJG09] P. Rousseau, V. Jolivet and D. Ghazanfarpour, GPU Rainfall. Journal of Graphics Tools, vol. 13, (4), pp. 17-33, 2009.
[Tari07] S. Tariq. Rain. Technical report, Nvidia, 2007.
[TI06] N. Tatarchuk and J. Isidoro. Artist-directable real-time rain rendering in city environments. In Eurographics Workshop on Natural Phenomena, New York, NY, USA, 2006. ACM Press.
[YZZ04]Y. Yang, C. Zhu, and H. Zhang. “Real-Time Simulation: Water Droplets on Glass Windows.” Computing in Science and Eng. 6:4 (2004), 69– 73.

Résumé de la thèse en anglais
Several studies have proposed representations of rain [GN06, LCG08, YZZ04]. ATI [TI06] and Nvidia [Tari07] show for example in videos scenes in which many effects, such as splashes and water flows, can be observed. But these are not physically-based methods. Rousseau et al [RJG06] worked on a more physical rain model in real-time, including refraction accounting for drop’s appearance. [RJG06] optimized particles systems depending on wind and [RJG09] collision of particles with objects in the scene. Rain, as well as other atmospheric states, is further the source of phenomena that cannot be represented with particles or simple textures. They lead to complex changes of optical properties (wet grass, evaporation phenomena, fog in the background) that are hard to control individually by users. A correct modeling of atmospheric phenomena is necessary to improve the modeling of large scenes.
In real life, we observe many different kinds of effects during a rainy day. As discussed in the state of the art, we cannot only focus on particles aspect to reproduce the corresponding atmosphere. The actual simulations make appear a strong transition between the particles and the induced fog. We plan to improve this transition with a new model, generating multi-resolution maps displayed at different distances, to gradually shrink visibility down. The process to get these multi-resolution maps (mipmaps) will be based on the analysis of rainy scenery images and videos. We extract some information to control coefficients that quantify visibility variations according to the distance from the camera. Also, we propose to estimate mipmaps coefficients, depending on the camera’s parameters. To our knowledge, other rain models ignore this aspect. Our goal is to permit an artist to modify the rain simulation and the corresponding rainy atmosphere in real time.

[GN06] K. Garg and S. K. Nayar, « Photorealistic rendering of rain streaks, » ACM SIGGRAPH, pp 996–1002, 2006.
[LCG08] J. Lopez-moreno, A. Cabanes, and D. Gutierrez, « Image-based participating media, » in CEIG, vol. 5, 2008, pp. 179-188.
[RJG06] P. Rousseau, V. Jolivet and D. Ghazanfarpour. Realistic Real-Time Rain Rendering, Computers & Graphics, vol. 30(4), pp 507-518, 2006.
[RJG09] P. Rousseau, V. Jolivet and D. Ghazanfarpour, GPU Rainfall. Journal of Graphics Tools, vol. 13, (4), pp. 17-33, 2009.
[Tari07] S. Tariq. Rain. Technical report, Nvidia, 2007.
[TI06] N. Tatarchuk and J. Isidoro. Artist-directable real-time rain rendering in city environments. In Eurographics Workshop on Natural Phenomena, New York, NY, USA, 2006. ACM Press.
[YZZ04]Y. Yang, C. Zhu, and H. Zhang. “Real-Time Simulation: Water Droplets on Glass Windows.” Computing in Science and Eng. 6:4 (2004), 69– 73.

Description complète du sujet de thèse
Plusieurs études ont proposé des représentations de la pluie [GN06, LCG08, YZZ04]. ATI [TI06] et Nvidia [Tari07] décrivent de nombreux effets, tels que les éclaboussures et les écoulements d’eau, pouvant être observés dans des vidéos. Mais ces méthodes ne sont pas physiquement « plausibles » et ne peuvent donc pas être utilisées pour simuler précisément ces phénomènes. Rousseau et al [RJG06] ont présenté un modèle physique de pluie réaliste, permettant notamment de simuler l’effet de réfraction de l’environnement à l’intérieur d’un ensemble de gouttes d’eau tombant d’un nuage et ce, en temps réel. De part la nature du modèle proposé, [RJG06] anime le système de particules en fonction du vent et [RJG09] détecte les collisions des gouttes avec les objets d’une scène. La pluie induit d’autres effets atmosphériques qui ne peuvent pas être représentés par des particules ou des textures simples. Ils conduisent à des changements complexes des propriétés optiques (herbe mouillée, phénomènes d’évaporation, brouillard en arrière-plan) difficiles à contrôler individuellement par les utilisateurs. Une modélisation physique des phénomènes atmosphériques est nécessaire afin d’améliorer la création de grandes scènes réalistes.
Afin de représenter l’ensemble de ces phénomènes, les simulations doivent utiliser des modèles hybrides permettant un passage continu entre la goutte d’eau (particule) et le brouillard (milieu participant). Nous avons l’intention d’améliorer cette transition avec un nouvelle approche qui s’appuiera sur la création d’un modèle multi-échelles composé de zones générées en fonction de la distance à l’observateur. Ce modèle permettra de réduire progressivement la visibilité jusqu’à l’infini. Le processus pour obtenir ces paramètres sera basé sur l’analyse d’images de paysage pluvieux et des vidéos. Cette extraction d’information, permettra de quantifier les variations des coefficients de visibilité en fonction de la distance pluie-caméra. Nous proposons aussi de tenir compte, dans notre simulation de rendu, des paramètres des appareils photo ou des caméras afin de reproduire des phénomènes engendrés par les systèmes optiques. Notre objectif est de permettre à un artiste de modifier la simulation de pluie et des effets induits intuitivement et en temps réel.

[GN06] K. Garg and S. K. Nayar, « Photorealistic rendering of rain streaks, » ACM SIGGRAPH, pp 996–1002, 2006.
[LCG08] J. Lopez-moreno, A. Cabanes, and D. Gutierrez, « Image-based participating media, » in CEIG, vol. 5, 2008, pp. 179-188.
[RJG06] P. Rousseau, V. Jolivet and D. Ghazanfarpour. Realistic Real-Time Rain Rendering, Computers & Graphics, vol. 30(4), pp 507-518, 2006.
[RJG09] P. Rousseau, V. Jolivet and D. Ghazanfarpour, GPU Rainfall. Journal of Graphics Tools, vol. 13, (4), pp. 17-33, 2009.
[Tari07] S. Tariq. Rain. Technical report, Nvidia, 2007.
[TI06] N. Tatarchuk and J. Isidoro. Artist-directable real-time rain rendering in city environments. In Eurographics Workshop on Natural Phenomena, New York, NY, USA, 2006. ACM Press.
[YZZ04]Y. Yang, C. Zhu, and H. Zhang. “Real-Time Simulation: Water Droplets on Glass Windows.” Computing in Science and Eng. 6:4 (2004), 69– 73.

Objectifs scientifiques de la thèse
Définition d’un nouveau modèle hybride multi-échelle particules – textures procédurales

Compétences à l’issue de la thèse
Informatique
Informatique Graphique
Développement temps réel (GPU)
Conduite de projets

Mots clés (séparés par des virgules)
informatique, rendu réaliste, modèles physiques, GPU.
Conditions restrictive de candidature (nationalité, âge, …) : NON

Directeur de thèse
Djamchid Ghazanfarpour
Adresse mail du directeur de thèse : [djamchid.ghazanfarpour@xlim.fr

Téléphone Directeur de thèse : +33 5 87 50 68 10

Co-directeur de thèse
Vincent Jolivet
Adresse mail du co-directeur de thèse : vincent.jolivet@xlim.fr
Téléphone co-Directeur de thèse : 33 5 87 50 67 76
Cofinancement LABEX SigmaLIM demandé : NON
Thèse pour Action transverse : NON

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