Accumulation de poussière dans les modèles géométriques

Introduction

Les modèles géométriques en infographie sont souvent considérés comme trop parfaits. En effet, pendant plusieurs années, les infographistes se sont surtout intéressés à représenter la forme mathématiquement exacte des objets, sans se soucier des imperfections qui les affectent. Cependant dans la réalité, les objets subissent constamment les attaques des éléments les entourant. Ainsi ils sont bosselés, ils rouillent, ils dépérissent, ils se tachent, ils se fendillent, etc. Il devient donc important de pouvoir souiller ces objets synthétiques pour leur donner un aspect réel.

Etant donnés ces besoins importants, il n'est pas surprenant de constater que tout de même, certains outils ont été développés au fil des années pour donner une impression de vieillissement aux objets synthétiques. Parmi ces techniques, rappelons l'importance des textures, des fonctions procédurales, des processus aléatoires, et de plusieurs autres techniques. Elles ont toutes été utilisées pour ajouter ces détails si importants pour l'observateur. Malheureusement, bien qu'utiles par leur généralité, ces techniques ne sont presque jamais pleinement adaptées à l'utilisation ou à la sémantique de l'objet lui-même, de même que du phénomène de vieillissement.

Malgré tout, un nouvel envouement sur l'étude de quelques phénomènes particuliers a récemment vu le jour. On notera la formation de patines sur les surfaces métalliques [Dorsey 96b], les traînées laissées par l'écoulement de gouttes de pluie [Dorsey 96a], et l'effritement de la pierre sous l'action de l'eau et du soleil [Dorsey 99]. Les images ci-bas, tirées de ces articles originaux, illustrent les résultats de ces phénomènes.

   



Dans le cadre d'un thème de recherche sur la détérioration générale et intuitive des objets synthétiques, nous avons aussi introduit une technique pour simuler et modéliser les bosses sur des objets polygonaux [Paquette 01]. Ce thème se veut d'ailleurs un sujet important de recherche dans notre équipe.

A l'intérieur de ce thème, l'accumulation de poussière constitue une catégorie importante des phénomènes de détériorations qui se présentent dans presque tous les environnements. Ce projet de recherche vise à développer de nouvelles techniques pour des simulations adaptées à l'accumulation de poussière.

Trois travaux en particulier ont présenté des solutions partielles au problème d'accumulation de poussière.

Tout d'abord, Miller [Miller 94] a introduit la notion de cartes d'accessibilité dans les modèles polygonaux. Intuitivement, une sphère est placée le long de la normale d'un polygone. Le rayon de cette sphère est augmenté jusqu'à ce que la sphère touche un autre polygone du modèle. Le rayon de cette ainsi encode d'une certaine façon la proximité du reste de la surface par rapport au centre de ce polygone. Ce rayon est utilisé afin d'atténuer la couleur de la surface dans les crevasses, simulant ainsi l'occlusion de la lumière dans ces crevasses, mais aussi potentiellement l'accumulation de poussière, rendant les crevasses plus sombres. Bien que cette technique produise de bons résultats, toute crevasse, peu importe son emplacement et son orientation, accumulera la même quantité de poussière. L'image qui suit, tirée de l'article original, illustre les effets produits par cette technique.



Hsu et al. [Hsu 95] améliore la qualité de cette notion d'accessibilité en lancant à la place des rayons d'une facon un peu aléatoire afin de produire un peu de bruit dans la disposition de poussière. L'image qui suit a été produite par cette technique.



Wong et al. [Wong 97] a introduit la notion de sources de poussière. Une telle source émet un champ de poussière à la manière d'une source de lumière éclairant une surface. Toute surface faisant face à la source reçoit alors plus de poussière que celle orientée perpendiculairement à la source.


 
 

Ce projet peut se diviser en plusieurs étapes, dépendant de l'intérêt du candidat et de ses aptitudes au développement et à la recherche.

Dans un premier temps, nous proposons de mettre en place un système d'accumulation de poussière, basé sur l'approche récemment présentée par Fearing [Fearing 00] sur l'accumulation de neige sur les modèles. Au lieu de laisser tomber les brins de neige et d'intersecter les surfaces afin d'y déposer la neige, Fearing part de la surface elle-même et détermine par un  processus stochastique combien de neige s'y accumule. Ce processus inversé permet d'accumuler la neige efficacement, et cela, même sur les surfaces très fines, comme par exemple, sur les fils de téléphone le long des routes. Une image tirée de l'article original suit.



Comme l'accumulation de poussière est très similaire à l'accumulation de neige, ce système sera un excellent point de départ. Ce système est même simplifié par le fait que contrairement à la neige qui s'accumule et tombe sur les surfaces avoisinantes, la poussière a plutôt tendance à demeurer là où elle tombe.

Une fois la poussière tombée sur la surface, il faut pouvoir en faire une image. Nous proposons de comparer deux techniques de rendu. Premièrement, de façon plus classique, nous proposons d'utiliser une texture de poussière pour affecter le modèle de réflexion de la surface. Ces textures sont supportées de nos jours sur la plupart des cartes graphiques 3D.

Dans un deuxième temps, comme les surfaces polygonales ne sont pas toutes paramétrisables adéquatement pour représenter de façon efficace de telles textures, nous proposons d'intégrer ce rendu grâce à la notion de points, telle que récemment introduite par des membres de notre équipe de recherche [Stamminger 01]. Un point forme une primitive très puissante par sa simplicité et sa flexibilité. Ainsi la densité de poussière sur la surface peut se traduire en opacité du point qui repose sur la surface. De plus, ces points peuvent être adaptivement disposés sur la surface en fonction de la densité de poussière et de la caméra, augmentant ainsi le nombre de points de poussière pour les surfaces rapprochées et vice versa pour les surfaces éloignées.

Finalement, la dernière étape de ce projet, vise à simuler le mouvement de la poussière dans des environnements architecturaux. Ainsi lorsque la poussière se dépose sur une surface, elle peut se déplacer en fonction de vents ou de mouvements d'objets. Nous proposons de réaliser un système simulant efficacement ces déplacements grâce à des structures hiérarchiques souvent utilisées en synthèse d'images, autant pour déterminer la poussière affectée par le mouvement d'un objet que par l'endroit où la poussière pourrait se déposer.

L'accumulation de poussière soulève des problèmes intéressants pour la simulation de surfaces synthétiques plus réalistes. Ce projet, qui s'insère dans un thème de recherche plus étendu sur les phénomènes de détériorations, vise à introduire de nouvelles techniques efficaces pour la simulation de ce phénomène, de même que son rendu en images.

Tel que souligné précédemment, cette proposition de projet se veut dans son ensemble très audacieuse. Cependant, presque chaque étape peut être séparée et se révéler tout à fait satisfaisante pour un projet intéressant. De plus, comme plusieurs des travaux mentionnés proviennent de collègues présents dans notre équipe, et qu'aussi, plusieurs de ces collègues sont disponibles pour discuter des techniques en infographie, le candidat aura ainsi accès à une grande expertise pour réaliser ses travaux dans une équipe dynamique.
 

[Dorsey 96a]  J. Dorsey, H.K. Pedersen, P. Hanrahan. Flow and changes in appearance. Proceedings of SIGGRAPH 96, Aout 96.

[Dorsey 96b]  J. Dorsey, P. Hanrahan. Modeling and rendering of metallic patinas. Proceedings of SIGGRAPH 96, pp. 387-396, 1996.

[Fearing 00] P. Fearing. Computer modelling of fallen snow. Proceedings of SIGGRAPH 2000, pp. 37-46, Août 2000.

[Hsu 95]  S.-C. Hsu, T.-T. Wong. Simulating dust accumulation. IEEE Computer Graphics and Applications, 15(1), pp. 18-25, Janvier 1995.

[Miller 94] G. Miller. Efficient algorithms for local and global accessibility shading. Proceedings of SIGGRAPH 94, Août 1994.

[Paquette 00]  E, Paquette. Proposition de thèse de doctorat. http://www.iro.umontreal.ca/~paquete/Research. Juin 2000.

[Paquette 01] E. Paquette, P. Poulin, G. Drettakis. Aging surfaces by impacts. Proceedings of Graphics Interface, Juin 2001.

[Stamminger 01] M. Stamminger, G. Drettakis. Interactive sampling and rendering for complex and procedural geometry. Submitted for publication, Mars 2001.

[Wong 97] T.-T. Wong, W.-Y. Ng, P.-A. Heng. A geometry dependent texture generation framework for simulating imperfections. Eurographics Workshop on Rendering, pp. 139-150, 1997.