Rendre les fluides animés plus réalistes

Dans les coulisses de la plupart des effets spéciaux des films se trouvent des ordinateurs qui calculent d'intenses équations mathématiques. Et certains des types d'équations d'animation les plus complexes décrivent le mouvement des fluides : de la coulée de lave à une explosion en passant par la montée et la disparition d'anneaux de fumée. Mais souvent, les équations disponibles pour les animateurs ne sont pas assez bonnes pour représenter et contrôler avec précision les fluides, dit Mathieu Desbrun , professeur d'informatique au California Institute of Technology, à Pasadena. Afin de rendre l'animation fluide suffisamment belle, dit-il, certains animateurs choisissent de la dessiner à la main, un processus qui prend du temps.

Le liquide en rotation dans cette boule à neige obéit à de nouvelles équations pour les simulations informatiques développées à Caltech. Les chercheurs affirment que ces équations rendent le mouvement liquide plus réaliste que ce qui est possible avec les logiciels d'animation par ordinateur d'aujourd'hui.

Mais les recherches de Desbrun pourraient rendre les fluides plus fluides à l'écran. Lui et son équipe développent une approche entièrement nouvelle du mouvement des fluides, basée sur de nouvelles mathématiques appelées géométrie différentielle discrète, qui utilisent des équations conçues spécifiquement pour être résolues par des ordinateurs plutôt que par des personnes. En fin de compte, dit-il, ils ont le potentiel de réduire le coût et le temps de réalisation d'un morceau d'animation. Maintenant que nous utilisons des ordinateurs, c'est un tout nouveau jeu de balle, dit-il.

Multimédia

• Regardez la fumée obéir aux nouvelles équations de la dynamique des fluides

• Observez un caractère liquéfiant obéir aux nouvelles équations de la dynamique des fluides

Avant les ordinateurs, explique Desbrun, les mathématiciens et les physiciens développaient des équations pour le mouvement d'objets tels que les solides et les fluides, et nombre d'entre elles pouvaient être résolues à la main. Au cours des dernières décennies, il est devenu clair que les ordinateurs pouvaient être utilisés pour résoudre bon nombre des équations les plus difficiles, de sorte que les informaticiens et les mathématiciens ont pris l'ensemble connu d'équations et ont essayé de les modifier pour la tâche. Ils ont retravaillé les équations expliquant les règles physiques, les divisant efficacement en centaines de nombreux morceaux afin que le cerveau numérique d'un ordinateur, qui est bon pour travailler sur un grand nombre de ces morceaux à la fois, puisse les résoudre.

Bien que de nombreux travaux fructueux aient été réalisés en utilisant cette approche, explique Desbrun, ces équations ne font qu'approcher le mouvement et elles ont tendance à produire des liquides à écoulement non naturel. Par exemple, dans le cas d'un bain à remous, avec le temps, l'approche traditionnelle introduit des erreurs dans le mouvement, produisant une viscosité artificielle : le résultat visuel est un bain à remous tourbillonnant qui ralentit sans raison apparente. Un animateur doit intervenir pour modifier les cadres afin de s'assurer que le liquide continue de se déplacer dans le bon sens.

L'approche de Desbrun consiste à écrire de nouvelles équations basées sur des propriétés physiques qui ne sont pas exprimées dans les équations traditionnelles. Par exemple, les équations traditionnelles incluent des informations sur la vitesse d'un liquide, et elles sont utilisées pour approximer ou fournir une description inexacte du mouvement d'un liquide s'il commence à tourbillonner. Mais les équations de Desbrun contournent la vitesse simple et décrivent à la place le mouvement tourbillonnant exactement, et d'une manière que les ordinateurs peuvent facilement écraser. Au lieu de simplement les approximer, nous pouvons capturer fidèlement la dynamique, dit-il. Et nous montrons que cela rapporte visuellement.

Dans un article publié ce mois-ci dans la revue Transactions sur les graphiques , Desbrun et son équipe décrivent l'approche qu'ils adoptent pour modéliser des fluides tourbillonnants autour et à l'intérieur d'objets solides tels qu'une boule à neige. L'approche traditionnelle approximerait la vitesse du liquide à divers points dans l'espace et le temps et l'utiliserait pour approximer son mouvement le long d'une trajectoire circulaire. Mais les équations de Desbrun modélisent la circulation réelle du liquide, comme s'il s'agissait d'une propriété aussi fondamentale que la vitesse.

Pour simuler la circulation du liquide, les chercheurs doivent capturer la propriété fondamentale de cette circulation, appelée flux. Le flux, ou la quantité de liquide qui se déplace dans un espace à un moment donné, est capturé en brisant le tourbillon en petits morceaux et en déterminant le débit à chaque pièce. Ces valeurs sont intégrées dans l'équation du mouvement, permettant au liquide de s'écouler plus précisément.

Jusqu'à présent, dit Desbrun, les résultats sont prometteurs. Il a été démontré que cette approche offre une bonne prévisibilité statistique… garantissant une qualité visuelle élevée.

La recherche pourrait être importante pour la communauté de l'infographie, dit Eva Kanso , professeur d'ingénierie aérospatiale et mécanique à l'Université de Californie du Sud, à Los Angeles, qui modélise les fluides par ordinateur. Traditionnellement, dit-elle, la tendance était d'utiliser des calculs rapides similaires à la réalité mais non basés sur la physique réelle. C'est un grand pas pour la communauté de l'infographie d'examiner les lois physiques et d'essayer de les simuler, surtout maintenant avec une forte demande d'animation plus réaliste.

James O'Brien , professeur d'informatique à l'Université de Californie à Berkeley, déclare que si la méthode de calcul traditionnelle et la méthode de Desbrun devaient s'affronter, il n'y aurait pas beaucoup de différence dans le temps nécessaire pour rendre une animation . Cependant, dit-il, le véritable objectif est d'obtenir de meilleurs résultats pour le même effort.

À l'heure actuelle, dit Desbrun, sa nouvelle approche de calcul n'est pas prête pour les heures de grande écoute dans les logiciels trouvés dans les studios d'animation, mais des collègues de l'Université Columbia explorent l'option. Nous n'avons pas poussé nos recherches au point où nous pourrions aider les sociétés cinématographiques à mieux contrôler la façon dont les fluides s'écoulent, dit-il. Mais, ajoute-t-il, si les équations sont utilisées dans des logiciels, les artistes pourraient, d'un simple clic, modifier facilement les effets spéciaux et l'animation avec beaucoup plus de précision qu'ils ne le peuvent aujourd'hui.

cacher