Fondements scientifiques

Visualisation, rendu et simulation de l'éclairage

Participants : George Drettakis , Fabrice Neyret , Claude Puech , François Sillion , Pierre-François Clerc , Frédo Durand , Céline Loscos , Frédéric Perez , Cyril Soler , Yann Argotti , Peter Kipfer , Stéphane Moreau .

Mots-clés : logiciel de rendu, plaquage de texture, rendu réaliste, simulation de l'éclairage, simulation interactive, synthèse d'images

Résumé : La création d'images synthétiques impose de définir et de mettre en oeuvre un modèle de ``rendu'', qui spécifie de quelle façon les objets visibles doivent apparaître dans l'image. Deux tendances distinctes se dessinent dans les recherches sur ce sujet, qui sont à première vue antagonistes mais non nécessairement contradictoires. La première vise à permettre un rendu ultra-rapide favorisant l'interactivité, soit en simplifiant les modèles mathématiques, soit en utilisant une stratégie de raffinement progressif ou hiérarchique. La seconde approche concerne la simulation ``réaliste'' des phénomènes lumineux, qui permet de garantir la validité des images obtenues.

L'activité d'iMAGIS au sein du thème ``rendu'' utilise les deux angles d'attaque, à savoir, d'une part, la recherche d'algorithmes de simulation permettant un réalisme accru, et, d'autre part, l'étude de méthodes adaptées pour une utilisation interactive de la simulation.

Le premier axe de recherche s'intéresse à la définition et à la mise en oeuvre de techniques multi-échelles ou progressives pour la simulation de l'éclairage. Le but recherché est de permettre une gradation continue entre une image grossière (mais quasi-instantanée) et une image de haute qualité, très coûteuse. Nous avons construit et analysé des solutions à base d'images, dans lesquelles nous remplacions la géométrie complexe par des ``décors'', accélérant ainsi la visualisation de grands volumes de données 3D.

Dans le même esprit, nous nous attaquons au problème de la simulation de l'éclairage pour des scènes (dites ``dynamiques'') dont on peut déplacer les objets. Nous avons notamment proposé et étudié des solutions pour le cas de l'éclairage direct, et l'étude du problème de l'éclairage global, bien plus complexe, est en cours.

Dans la deuxième catégorie, on trouve des travaux sur la définition des mesures d'erreur, le calcul de gradient de la fonction d'éclairage et aussi le calcul du maillage ``de discontinuités''. L'étude du contrôle de l'erreur dans les algorithmes hiérarchiques de simulation participe également de la recherche d'une qualité optimale pour un effort donné.

Nous travaillons également sur les problèmes posés par la visualisation interactive de maquettes géométriques de très grande taille, ainsi que sur ceux posés par la visualisation de données réparties sur un réseau.

Animation et Modélisation

Participants : Marie-Paule Cani-Gascuel , Jean-Dominique Gascuel , Fabrice Neyret , Gilles Debunne , Mathieu Desbrun , François Faure , Eric Ferley , Agata Opalach , Nicolas Tsingos , Dominique Rossin .

Mots-clés : logiciel d'animation, modeleur, simulation interactive, surface implicite, synthèse d'images

Résumé : L'animation est un domaine très important de l'informatique graphique et de la synthèse d'images. La création de séquences de scènes animées pose des problèmes difficiles de modélisation du mouvement et conduit aussi naturellement à rechercher une modélisation des objets adaptée. Nos efforts se sont concentrés sur l'étude de modèles générateurs et, surtout, sur la modélisation et l'animation d'objets déformables à l'aide de ``surfaces implicites''. Celles-ci fournissent, en particulier, des outils très puissants pour synthétiser les comportements ``complexes'' de matériaux hétérogènes susceptibles de changer de topologie au cours du temps.

Les ``modèles générateurs'' qui se développent depuis quelques années en animation de synthèse sont particulièrement bien adaptés à l'animation d'objets complexes. Contrairement aux approches descriptives traditionnelles, ils sont, en effet, capables d'engendrer mouvements et déformations à partir de descriptions physiques simplifiées des objets, de conditions initiales, et de contraintes éventuelles à respecter au cours du mouvement. De plus, ces modèles sont capables de réagir à des stimuli extérieurs (manipulation interactive, collisions, ...).

Les travaux du projet iMAGIS recouvrent les aspects modélisation, simulation (et contrôle) du mouvement d'objets articulés ou déformables. L'étude de ces derniers a une importance pratique considérable pour des applications telles que la simulation d'opérations chirurgicales, ou l'audio-visuel (animation).

Disposer d'un bon modèle de surface est essentiel pour l'animation d'objets déformables. En effet, la surface d'un objet intervient pour la détection et le traitement des interactions (collisions, contacts) avec d'autres objets de la scène. De plus, c'est cette surface et elle seule qui sera visualisée lors du rendu d'une animation.

Depuis quelques années, nous nous sommes tournés vers l'utilisation de surfaces implicites, qui offrent le double avantage de réduire le coût des calculs d'intersection (ce qui s'applique aussi bien au lancer de rayons qu'à la détection de collisions), et de pouvoir se combiner avec toute méthode d'animation des ``squelettes'' qui engendrent ces surfaces. Les surfaces implicites (iso-surfaces d'un champ potentiel) permettent de modéliser facilement des formes de topologie et de géométrie complexe (en particulier, celles comportant des trous et des embranchements, difficiles à obtenir avec des surfaces paramétriques de forme libre). Parmi les travaux déjà réalisés sur ce thème, on peut citer un modèle de déformation générique permettant de créer des surfaces de contact entre objets modélisés par surfaces implicites, des travaux sur l'échantillonnage adaptatif de ces dernières, ainsi qu'une application à la simulation de lèvres parlantes, réalisée en collaboration avec l'Institut de la Communication Parlée (ICP).

Savoir construire automatiquement la surface d'un objet à partir de points de données est essentiel pour permettre la simulation d'objets complexes du monde réel. Les surfaces implicites permettent d'optimiser les calculs d'erreur en reconstruction automatique à partir de points de données, du fait de la simplicité des tests d'appartenance.

Géométrie algorithmique

Participants : George Drettakis , Claude Puech , Frédéric Cazals , Frédo Durand , Rachel Orti , Stéphane Rivière .

Mots-clés : géométrie algorithmique, visibilité

Résumé : Les problèmes de proximité et de visibilité jouent un rôle fondamental dans de nombreux algorithmes de rendu réaliste et d'animation : calculer une vue depuis un point dans l'espace, trouver les objets intersectés par un rayon lumineux pour le lancer de rayons, détecter les objets voisins pour la gestion des collisions en animation, ou encore déterminer les couples d'objets visibles pour le calcul des facteurs de forme en radiosité. Ces problèmes, de nature algorithmique fondamentale, font l'objet de recherches dans le cadre de leur application aux classes d'exemples citées ci-dessus.

Les recherches développées au sein du projet iMAGIS ont en commun de s'intéresser à des problèmes liés à la visualisation d'environnements ou maquettes numériques complexes. Dans bien des cas, même si ce n'est pas le seul élément qui contribue à la complexité de la scène, le nombre de primitives géométriques de base la constituant est très important. Il est alors crucial, surtout lorsque l'on souhaite développer des techniques interactives, de structurer ces données pour pouvoir les traiter efficacement.

Déterminer ce qui est visible dans une direction donnée lors de la visualisation (affichage) d'une scène, ou le faire lors des suivis de ``rayons lumineux'' (technique du lancer de rayons) ou des calculs d'échanges d'énergie lumineuse (technique de radiosité) en vue de simulation d'éclairage, déterminer s'il y a ou non collision entre objets à un instant donné du déroulement d'une animation, sont autant d'opérations dont l'efficacité est critique du fait qu'elles doivent être répétées des millions de fois avant que le résultat recherché ne soit obtenu.

Deux problèmes jouent un rôle particulièrement important en informatique graphique (ceux évoqués ci-dessus s'y ramènent) et ce sont ceux sur lesquels nous avons jusqu'ici concentré nos efforts : il s'agit du développement de techniques permettant de coder de manière efficace les relations de visibilité entre objets (points, polygones, etc.) dans une scène, et de techniques permettant de regrouper des objets voisins ou de structurer l'espace en prenant en compte la proximité entre objets.

La géométrie algorithmique est un domaine de recherche très actif qui a développé au cours des dernières années un grand nombre de structures et d'algorithmes originaux pour traiter efficacement des objets géométriques. Notre approche est tout à la fois d'aller y rechercher des solutions aux problèmes que nous traitons en vue de les adapter à nos besoins et de contribuer au développement du domaine.

Réalité augmentée et réalité virtuelle

Participants : George Drettakis , Jean-Dominique Gascuel , Céline Loscos , Eric Ferley , Nicolas Tsingos .

Mots-clés : Réalité augmentée, réalité virtuelle, synthèse de sons, interaction

Résumé : Réalité augmentée et réalité virtuelle constituent des domaines d'activité nouveaux pour le projet iMAGIS qui d'une part développe son savoir-faire sur ces thèmes, d'autre part développe des techniques originales de simulation sonore et de rendu de scènes contenant objets réels et virtuels.

Etudier des techniques efficaces de visualisation interactive de scènes complexes conduit tout naturellement à envisager des compromis entre la qualité de la visualisation produite et la rapidité de l'interaction offerte à l'utilisateur. A partir d'un niveau d'interactivité suffisant, si la qualité est par ailleurs ``raisonnable'', il est possible d'envisager de nouvelles applications, dont celles dites ``de réalité augmentée'' dans lesquelles objets réels et virtuels coexistent, et même des applications ``de réalité virtuelle'' dans lesquelles l'utilisateur est immergé dans un monde virtuel.

Nous nous intéressons, au sein du projet iMAGIS, pour le moment, seulement à des aspects limités de ce domaine nouveau en très fort développement. Nous travaillons particulièrement sur le rendu du son 3D qui offre des perspectives très intéressantes pour renforcer le réalisme de certaines simulations. Nous étudions également les problèmes posés par le rendu réaliste de scènes ``éclairées'' mélangeant objets réels et virtuels. Les techniques développées peuvent être utilisées, par exemple, en support de techniques de vidéo-conférences.

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