Simulation réaliste de pluie en temps-réel

PhD Thesis - Pierre Rousseau - October 12th, 2007

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Abstract

Natural phenomena simulation is an important topic in computer graphics. It helps improving realism of displayed scenes, reminding the observer of elements from his daily environment. Amongst these phenomena, rain is one of the most frequent ; few studies had nevertheless been led upon it until recently. In this thesis, we study water-drops rendering, as well as their animation. We propose models enabling visually realistic real-time simulation of rainfalls, which are adapted to the needs of video-games and driving simulators.

We first describe the previous works in computer graphics dealing with waterdrop rendering, and GPU-based particle animation. In the second chapter, we present the physical properties of raindrops, upon which we built our models. The third chapter introduces the raindrop rendering model we proposed for realistic simulation of the refraction phenomenon which can be observed in raindrops. Extensions to this model are then presented, to simulate the visual phenomenon of retinal persistance, and the change in raindrops' appearance due to illumination from light sources. The fourth chapter introduces the dynamics simulation model we developped. Particles are animated through a GPGPU approach, and bounce when they collide with objects in the scene. Using a dedicated interface, the user can intuitively design wind which alters particles' motion. The results we obtained are presented in the fifth chapter.

Résumé

La simulation de phénomènes naturels occupe une place importante en synthèse d'images. Elle permet d'améliorer le réalisme des scènes représentées, en rappelant à l'observateur des éléments de son environnement quotidien. Parmi ces phénomènes, la pluie est l'un des plus courant dans la nature ; peu d'études y avaient pourtant été consacrées avant une époque récente. Dans cette thèse, nous étudions à la fois le rendu des gouttes d'eau, et leur animation. Nous proposons des modèles adaptés aux problématiques des jeux vidéos et des simulateurs de conduite, permettant une simulation visuellement réaliste de la pluie en temps-réel.

Nous présentons dans un premier temps les travaux existants en synthèse d'images, portant sur le rendu des gouttes d'eau et sur l'animation de particules sur carte graphique. Dans le second chapitre, nous présentons les propriétés physiques des gouttes d'eau, sur lesquelles nous avons basé nos travaux. Le troisième chapitre introduit le modèle de rendu des gouttes que nous avons proposé, permettant une simulation réaliste du phénomène de réfraction observable au travers des gouttes d'eau. Des extensions à ce modèle, permettant de simuler l'impression visuelle liée au phénomène de persistance rétinienne, et le changement d'apparence des gouttes de pluie en présence de sources de lumière, sont également présentées. Le quatrième chapitre introduit le modèle de simulation de la dynamique des gouttes que nous avons développé. Les particules, animées par une approche GPGPU, rebondissent en cas de collision avec un objet présent dans la scène observée. Grâce à une interface spécifique, l'utilisateur a la possibilité de modéliser intuitivement un vent pouvant modifier les trajectoires suivies par les particules. Les résultats que nous avons obtenus sont présentés dans le cinquième chapitre.

Images

The following images are from the "Results" section of the dissertation (click to enlarge).


la methode A single-image overview of the whole simulation process
la methode The refraction model la methode Very large drops, allowing to cleraly observe the refracted image
la methode Retinal persistence model
la methode Refraction model, without illumination la methode Refraction model, with illumination
la methode Retinal persistence (long streaks) with illumination la methode Retinal persistence (short streaks) with illumination and uniform wind

Vidéos

The following videos use large particles to better see the phenomenon.

Creating a tornado from simple primitives:

Rain rendering with the refraction model, and with th retinal persistence extension (background is a photograph):

Results obtained with assets from a student game called Secret of Time.
Day Scene

Night Scene


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Dernière modification : le 22 octobre 2007