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Localisée à Limoges, l’expertise de cette équipe concerne essentiellement les techniques de rendu réaliste en synthèse d'images, avec des travaux dans le domaine de la génération de textures procédurales, de phénomènes naturels et de monde virtuels.

 

Thématiques de recherche :

L’originalité de l’équipe se trouve dans les domaines spécifiques suivants :

  • Définition de modèles d'apparence pour la simulation d'éclairage
  • Représentation et synthèse de structures géométriques complexes
  • Modélisation et rendu réaliste de phénomènes naturels

 

Modèles d'apparence pour la simulation d'éclairage

En lien avec la thématique précédente, la définition de modèles d'apparence physique a pour objectif de prendre en compte la physique de la réflexion et du transport lumineux, de façon à permettre les calculs de simulation d'éclairage physiquement corrects. Pour cela, plusieurs facteurs doivent être considérés, incluant la matière dont est constitué le volume de l'objet (transparent, translucide, opaque, métallique, etc.), son aspect de surface (lisse ou rugueux), et dans le contexte de la production d'images, des contraintes liées à la simulation numérique doivent également être prises en compte. Ces dernières années, cette thématique a proposé plusieurs contributions importantes, dans un contexte collaboratif avec la thématique Analyse d’images de l'axe.

Actuellement, très peu de modèles de la littérature offrent à la fois : (i) la possibilité de rendre compte d'une gamme importante d'effets visuels, (ii) la plausibilité physique de conservation et de réciprocité, (iii) la possibilité de réaliser les calculs de simulation d'éclairage de manière efficace. Ces modèles prédictifs reposent essentiellement sur les représentations à base de microfacettes. L’originalité scientifique des travaux réalisés concernent plusieurs aspects : la généralisation des fonctions de distribution de microfacettes, la simulation d’effets de spécularités haute fréquence à partir de cartes de normales, et la prise en compte des effets de réflexion multiple entre les microfacettes.

Les travaux proposés permettent de rendre exploitables les calculs non seulement pour la simulation d'éclairage, mais également pour l'analyse de surfaces développée dans la thématique Analyse d’images, avec plusieurs collaborations;



Représentation et synthèse de structures géométriques complexes

Ces travaux portent sur la création et la caractérisation d’objets virtuels, continus ou discrets, de dimension 2, 3 ou plus, en s’appuyant sur leur structure topologique.

Le thème géométrie discrète vise à développer des modèles analytiques et à fournir des outils fondamentaux pour décrire, manipuler et traiter des images. En reconnaissance de formes, il s'agit d'aborder le calcul des régions dans les espaces de paramètres pour des primitives discrètes de hautes dimensions et définir de nouvelles méthodes de calcul de médiatrice dans des images. Des recherches sont menées sur la définition analytique de primitives et transformations discrètes : surfaces de révolution à base de foyers généralisés et étude des grilles non hexaédriques, transformations de réflexion et rotations bijectives discrètes. Enfin, nous nous sommes intéressés au problème du dépliement de polycubes. L'un des objectifs est de montrer que tout assemblement de cubes peut être déplié sous la forme d'un polyomino.  

Nous nous intéressons également à la modélisation géométrique à base de modèles topologiques permettant de décrire séparément la structure de l’objet et sa forme. Nous avons en particulier travaillé sur la définition des ensembles simploïdaux pour les assemblages de cellules à structures régulières, en généralisant, par exemple, les espaces de Bézier triangulaires et cubiques. Pour la manipulation des modèles, nous nous appuyons sur une approche unique au monde, basée sur des méthodes formelles pour gérer la structure et la géométrie. Dans ces deux cas, les aspects langage, dénotation et algorithmique ont été étudiés et développés. Concernant les aspects « structure », notre formalisme repose sur des règles de transformation de graphes sur des cartes combinatoires dotées de conditions syntaxiques qui préservent la cohérence de la structure et des plongements. Concernant les aspects « géométrie », nous utilisons les algèbres géométriques qui fournissent un langage et des opérations permettant de décrire de manière abstraite les primitives géométriques et leurs manipulations. Ces études ont débouché sur la plateforme JERBOA (https://xlim-sic.labo.univ-poitiers.fr/jerboa/) qui à la fois, permet la conception de noyaux de modeleurs et offre un environnement de modélisation procédurale et de simulation.

Nos approches robustes ont permis d’aborder des questions encore ouvertes comme la cohérence topologique des données 3D (intersections, auto-intersections, arêtes nulles…). Nous menons également des travaux sur la caractérisation topologique des objets modélisés, i.e. le calcul de leur homologie. Nous montrons d’abord comment calculer effectivement l'homologie sur des structures cellulaires (graphe d'incidence, cartes combinatoires), et établir les conditions qui doivent être remplies pour que ce calcul ait un sens. Nous nous intéressons enfin au suivi de l’homologie d’un objet lors de sa construction.

Notre approche de modélisation géométrique a été appliquée dans plusieurs contextes d’application, en particulier l’architecture, la géologie, l’animation de structures déformables dont la topologie varie au cours du temps et la visualisation d’environnements virtuels (structures accélératrices, visibilité/ombre, effets visuels des petits éléments).

Modélisation et rendu réaliste de phénomènes naturels

Les surfaces réelles présentent très souvent une apparence complexe, résultant dans le monde réel, d’un ensemble de phénomènes physiques, chimiques, biologiques très largement influencés par l’environnement auquel les objets sont soumis. Une modélisation / une simulation directe de ces phénomènes de changements d’aspect, ainsi que la prise en compte de leurs influences mutuelles sont particulièrement difficiles (en particulier dans un cadre temps-réel).

Deux approches ont été étudiées dans le cas particulier de scènes urbaines complexes. La première approche consiste en l’enrichissement géométrique des scènes. Il s’agit dans ce cas de pouvoir par exemple générer l’ajout de centaines de milliers d’objets (par exemple des feuilles mortes) à partir de règles empiriques simples permettant à l’utilisateur de contrôler intuitivement ses résultats. La seconde approche se propose d’écrire des modèles physiques simplifiés, à partir de la littérature en particulier de science des matériaux et avec l’objectif d’obtenir des résultats plausibles plutôt que mesurables. Nous avons dans ce cadre particulier étudié les phénomènes de pollution en environnement urbain complexe et en temps réel, en développement un modèle d’environnement relativement complet : irradiation solaire, carte de vents, accessibilité à la pluie, puis un modèle physique simplifié d’évaluation des dépôts de particules de pollution.

La simulation de phénomènes en mécanique des fluides est également abordée. D’une part, nous cherchons à contrôler le mouvement de houle et les vagues déferlantes. D’autre part, nous proposons des modèles physiques et leur code de calcul pour la simulation de suspensions colloïdales où des particules solides interagissent entre elles et avec un fluide

Enfin, depuis plusieurs années, le rendu temps réel de pluie et son interaction avec l'environnement sont abordés, comme le rendu des effets visuels inhérents aux interactions complexes entre les arbres et la pluie, afin d'augmenter le réalisme des scènes pluvieuses naturelles. C'est un phénomène complexe qui implique un grand nombre de processus influencés par divers facteurs interdépendants (vent, éclairement, etc.).