Enhancing realism and visual coherence in fluid simulation for computer graphics

Résumé

Les simulations de fluides sont souvent utilisées dans un large éventail d’applications en informatique graphique, notamment dans les effets visuels, les jeux vidéo, la visualisation scientifique et la simulation médicale en temps réel. Malgré les avancées considérables réalisées dans les modèles physiques existants, obtenir des simulations réalistes combinant à la fois réalisme physique et haute qualité visuelle demeure un problème difficile. Dans cette thèse, nous apportons des contributions selon deux axes complémentaires de la simulation de fluides : l’amélioration du réalisme physique et l’amélioration de la qualité visuelle des simulations animées. Afin d’améliorer le réalisme physique, nous proposons une approche qui renforce le réalisme des simulations de liquides peu profonds en temps réel. Cette approche s’appuie sur le modèle des “tuyaux virtuels” (virtual pipes) et l’étend au moyen de cartes d’élévation multicouches. Elle introduit le concept de “tuyaux étendus” (extended pipe), capables de résoudre les écoulements à travers des passages entièrement inondés, ce qui n’est pas possible avec les techniques multicouches existantes. Deux variantes sont proposées : les tuyaux étendus alignés sur les axes, qui gèrent les passages alignés avec la grille, et les tuyaux étendus unifiés, qui traitent les passages à branches multiples et permettent l’écoulement du liquide à travers des passages d’orientation et de forme arbitraires, y compris autour des coins. En permettant un écoulement à travers des passages entièrement inondés, des cavités et des structures à branches multiples, cette approche améliore significativement le réalisme physique de la simulation. Concernant l’amélioration de la qualité visuelle, cette thèse se concentre sur l’enrichissement visuel des simulations de fluides en proposant des contributions relatives à la synthèse de textures à la surface de liquides animés. Nos données d’entrée comprennent une texture d’exemple, une séquence de maillages 3D (correspondant au liquide animé) avec une vitesse définie par sommet, ainsi qu’un champ d’orientation 3D initialisé à la première trame. Nous proposons une approche de synthèse adaptative multi-résolution qui équilibre la fidélité à la texture d’exemple et la cohérence avec le mouvement du fluide. Notre méthode simule le déplacement de la texture ainsi que du champ d’orientation au fil des trames, produisant une séquence cohérente de textures conformes à la géométrie de chaque trame. L’adaptativité est guidée par des mesures locales de distorsion en 2D et en 3D, qui déterminent quand il est nécessaire de resynthétiser ou de préserver le contenu résultant de la simulation du déplacement. De plus, un mécanisme de prévention du scintillement est introduit afin d’éviter des changements brusques et marqués de couleur, en imposant des transitions progressives dans le temps. Nous introduisons également une seconde stratégie de synthèse de texture : une méthode hybride pour les surfaces de liquides animés combinant une synthèse basée sur des pièces de texture avec notre synthèse adaptative multi-résolution fondée sur la texture d’exemple. Les principales pièces de texture sont extraites de la texture d’exemple d’entrée, tandis que les zones de fond restantes servent à créer une texture d’exemple de fond. Les pièces de textures sont déplacées par simulation selon le champ d’orientation, conjointement à un processus visant à maintenir leur distribution. En parallèle, la texture d’exemple de fond est utilisée pour synthétiser les détails d’arrière-plan à l’aide de la synthèse adaptative multi-résolution. Les deux textures sont ensuite fusionnées afin de produire une texture animée finale qui préserve les caractéristiques distinctives de la texture d’exemple tout au long de l’animation. Ces approches de synthèse de textures donnent de bons résultats aussi bien pour des liquides à écoulement lent que pour des écoulements turbulents, et pour une variété de textures d’exemple, améliorant significativement la qualité visuelle des liquides animés.

Date	26 juin 2026
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Eric Paquette (Directeur(-trice))