Efficient and detailed simulation of fluids for 3D computer graphics

Résumé

Les simulations physiques sont souvent utilisées en infographie afin de reproduire le mouvement de matériaux complexes tels que les liquides et la neige. La résolution et la qualité visuelle de ces simulations sont généralement limitées par la mémoire vive et les temps de calcul disponibles. Dans cette thèse, nous introduisons trois approches novatrices dont l’objectif est la production de simulations visuellement détaillées qui nécessitent moins de mémoire et de temps de calcul. La première approche utilise un maillage surfacique explicite qui s’ajuste selon la surface d’une simulation de liquide par particules. Elle utilise une projection qui préserve les détails de la surface afin de prévenir un décalage entre celle-ci et les particules. De plus, nous introduisons une nouvelle opération de correction de topologie qui garantit que la topologie de la surface explicite demeure cohérente avec les particules. Cette approche rend possible la conservation de détails visuels fins sur la surface avec un nombre moindre de particules, ce qui améliore considérablement les temps de calcul. Elle a été testée avec succès sur des simulations de type smoothed-particle hydrodynamics (SPH) et fluid implicit particle (FLIP). De plus, elle peut être exécutée après que la simulation ait entièrement été exécutée, ce qui la rend idéale pour le processus de création itératif typique des studios d’effets visuels. La seconde approche vise la simulation d’une couche de neige au sol qui interagit avec des personnages et objets animés. Elle décompose le volume de neige en trois composants: la couche de base (neige intacte), la neige dynamique, et les particules plus fines de neige. Cette décomposition permet d’utiliser une représentation volumétrique pour la couche de base, ainsi qu’une simulation de fluide semi-Lagrangienne pour les particules fines. Celles-ci sont beaucoup moins gourmandes en mémoire et temps de calculs que la simulation par particules utilisée pour la neige dynamique. Lorsque les personnages interagissent avec la neige intacte, cette dernière est transférée de la couche de base vers la simulation de neige dynamique. À leur tour, les particules dynamiques projetées dans les airs ajoutent de la neige dans la simulation de neige fine. Cette décomposition permet de simuler de plus grands volumes de neige tout en concentrant la mémoire et les temps de calcul où ils sont le plus utiles. Finalement, la troisième approche simule et visualise efficacement de petits volumes de liquide en temps réel à l’aide d’une simulation 2.5D de colonnes de liquide. Elle introduit un algorithme novateur de construction de surface qui gère beaucoup mieux les surplombs et les changements topologiques, ainsi qu’un nouveau modèle de viscosité basé sur la physique qui est à la fois stable et rapide. Pour y arriver, ce modèle repose sur des hypothèses qui permettent de simplifier les équations physiques sous-jacentes. Bien que ces hypothèses diminuent la précision de ce modèle, nos résultats démontrent qu’il peut reproduire des comportements très proches de ceux obtenus à l’aide d’une simulation hors-ligne 3D plutôt que 2.5D, et utilisant le modèle complet plutôt que le modèle simplifié, ce qui nécessite beaucoup plus de temps de calculs.

Date	6 sept. 2025
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Eric Paquette (Directeur(-trice))