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Thèse Année : 2008

Models of animated rivers for the interactive exploration of landscapes

Modèles de rivières animées pour l'exploration interactive de paysages

Résumé

Rivers are ubiquitous in nature, and are thus an important visual component in the simulation of natural scenes. Because rivers are dynamic in nature, it is necessary to animate their flow in these visual simulations. Realistic animation of rivers is a challenging problem because convincing simulations must incorporate multi-scale surface details and flow motion, and many of the phenomena involved have complex underlying physical causes. River animation is particularly difficult in emerging interactive applications such as Google Earth or video games that allow users to explore a very large scene and to dynamically decide whether to observe rivers at very small or large scales. Controlling the design of water simulations is another hard problem. The goal of this dissertation is to achieve real-time, scalable, and controllable river animation with a detailed and space-time continuous appearance. To achieve this realism, the river animation problem is broken down into macro-, meso-, and micro-scale subproblems ranging from coarse to fine. We propose appropriate models for each scale that capture relevant surface details and fluid motion. In the macro-scale, we propose a procedural method that can compute the velocities of rivers with curved banks, branchings and islands on-the-fly. In the meso-scale, we propose an improved phenomenological method for simulating the quasi-stationary waves that are made by obstacles. Moreover, we propose a method for constructing an adaptive and feature-aligned water surface. In the micro-scale, we propose the use of wave sprites, a sprite-based texture model, to represent advected details with stationary spectrum properties on flow surfaces. Armed with wave sprites and a dynamic adaptive sampling scheme, we can texture the surface of a very large or even unbounded river with scene-independent performance. In addition, we propose a spectrum-preserving texture advection method that has useful applications beyond river animation. We demonstrate that the combination of our models across three scales helps us incorporate visually convincing animated rivers into a very large terrain in real-time interactive applications.
Les rivières sont fréquentes dans la nature, et sont donc importantes dans une simulation de scènes naturelles 3D. Afin de reproduire l'écoulement des rivières réelles, ces rivières virtuelles doivent être animées. Mais ceci est un problème difficile. Il faut prendre en compte des détails de surface et des mouvements à plusieurs échelles, et la plupart des phénomènes impliqués ont des causes physiques sous jacentes complexes. L'animation de rivières est particulièrement difficile dans le contexte d'applications interactives émergentes telles que Google Earth ou certains jeux vidéos, qui permettent à l'utilisateur d'explorer une scène très vaste et d'y observer des rivières de très près ou de très loin, à n'importe quel moment. Le contrôle utilisateur des simulations de fluide est un autre problème difficile. Le but de cette thèse est d'obtenir des rivières animées en temps-réel sur de très grand terrains, avec une animation contrôlable et un rendu détaillé et continu en temps et en espace. Pour atteindre ce but nous décomposons le problème en 3 sous-problèmes pour les grandes, moyennes et petites échelles. Nous proposons des modèles appropriés pour chaque échelle, qui représentent correctement les détails et les mouvements du fluide à l'échelle considérée. Pour les grandes échelles nous proposons une méthode procédurale pour calculer à la volée la vitesse d'écoulement de rivières de formes quelconques, avec des affluents et des îles. Pour les moyennes échelles nous proposons une méthode de simulation spécifique pour générer les vagues quasi stationnaires causées par les obstacles. Nous proposons également une méthode pour construire un maillage adaptatif aligné avec les lignes de crête de ces vagues. Pour les petites échelles, nous proposons une méthode à base de sprites texturés pour représenter les petits détails dont le spectre est stationnaire et qui sont advectés avec la rivière. Complétés par un échantillonnage adaptatif, cetteméthode nous permet de texturer de très grandes rivières, les performances étant indépendantes de la complexité de la scène. Nous proposons également une méthode lagrangienne pour l'advection de texture, qui peut s'appliquer à d'autres domaines que l'animation de rivières. Nous montrons que la combinaison de nos trois modèles nous permet d'ajouter des rivières animées visuellement convaincantes dans de très grand terrains, dans des applications temps-réel interactives.
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Dates et versions

tel-00528781 , version 1 (22-10-2010)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00528781 , version 1

Citer

Qizhi Yu. Models of animated rivers for the interactive exploration of landscapes. Human-Computer Interaction [cs.HC]. Institut National Polytechnique de Grenoble - INPG, 2008. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00528781⟩
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