Moteurs Physiques pour l'animation & la Simulation

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Charlotte Lafontaine
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1 Moteurs Physiques pour l'animation & la Simulation M2 SIS / IMAC 3 volume : 6x(2hCM+2hTD) évaluation : projet Université de Paris-Est / Marne-la-Vallée

2 Contenu (approximatif) Etat de l'art : de animation à la simulation Un peu de physique : dynamique du point / du solide définitions et mise en équations dynamyique des fluides Navier-Stokes / S.P.H. Un peu de math : sytèmes d'équations différentielles méthodes numériques de résolution Méthodes d'animation : modèles descriptifs vs. modèles générateurs Méthodes de simulation : approches eulériennes et lagrangiennes Modèles physiques : par découpage différences finies / éléments finis par assemblage masses-ressorts / sytèmes de particules

Un peu de math : sytèmes d'équations différentielles méthodes numériques de résolution Méthodes d'animation : modèles descriptifs vs.

3 (petit) historique Animation Traditionnelle

4 cell(uloïd)-animation Animation par images-clefs (keyframing cycles de marche)

5 Animation par images-clefs (keyframing cycles de marche)

6 Animation par images-clefs (interpollation sur la forme)

7 Animation par images-clefs (interpollation sur la topologie)

8 Animation par images-clefs (interpollation sur la topologie)

9 Animation par images-clefs (interpollation sur les vitesse)

10 Animation procédurale : par script ou par programme vite complexe et limitée - Pratique pour plaquer des mouvements simples et périodiques - Toujours trés utilisé en sur-couche à la simulation

11 Animation par motion capture : solution pratique ancêtre : rotascoping (Disney, 1930)

12 Animation par interpollation (contrôle de trajectoire) courbes splines paramétrées pour plus de réalisme 'physique' scénario manuel scénario simulé

13 Animation par interpollation (contrôle de trajectoire) courbes splines paramétrées pour plus de réalisme 'physique' scénario manuel scénario simulé

14 Animation par interpollation (trajectoire cinétique) Tir balistique étude complète en TD

15 Animation par interpollation (contrôle des déformations) Mesh-Based Surfaces Implicites (Splines) NURBS (Non Uniform Rational B-Splines) metaballs Soft-Bodies Mesh-Free FFD (Free Form Deformation) ExtendedFFD

16 Introduction à la simulation (contrôle cinétique) pseudo-particules collisions : cinétique inverse

17 Introduction à la simulation (contrôle cinétique)

18 Introduction à la simulation (contrôle cinétique)

19 Limites de ce type d'animation : manque de variété (séquences répétitives) manque de réalisme (mouvements 'artificiels', contrôle précis difficile) phénomènes naturels complexes inaccessibles Champs d'application courant : animation de personnages mélange procédural / motion-capture couplage avec techniques plus évoluées suffisant en vue de loin Surcouches de plus haut niveau habillage (Skinning, Mesh/FFD hiérarchiques) enrichissement procédural (Logique Floue) systèmes coopératifs/autonomes (Sytèmes Multi-Agents) Simulateurs Physiques (contrôle dynamique )

motion-capture couplage avec techniques plus évoluées suffisant en vue de loin Surcouches de plus haut niveau habillage (Skinning, Mesh/FFD

20 Le système MASSIVE (procédural + physique + agents + logique floue)...à suivre (animation comportementale / vie artificielle)

21 pour aller plus loin : Simulation Dynamique (physics-based animation / simulation)

22 Différentes théories physiques : autant de simulateurs Dynamique du point Dynamique du solide Dynamique des objets déformables Dynamique des fractures Physiques newtoniennes Dynamique des milieux granulaires Dynamique des fluides Dynamique des milieux gazeux Dynamique chimique Physiques statistiques Dynamique sub-atomique Dynamique spatiale Electromagnétisme Physique de la Lumière Physiques Quantiques

23 Différentes théories physiques : autant de simulateurs Dynamique du point masses/ressorts Dynamique du solide Dynamique des objets déformables Dynamique des fractures Dynamique des milieux granulaires Dynamique des fluides Dynamique des milieux gazeux Dynamique chimique Dynamique sub-atomique Dynamique spatiale Electromagnétisme Physique de la Lumière éléments finis

24 Différentes théories physiques : autant de simulateurs Dynamique du point Dynamique du solide Dynamique des objets déformables Dynamique des fractures Dynamique des milieux granulaires Dynamique des fluides Dynamique des milieux gazeux Dynamique chimique Dynamique sub-atomique Dynamique spatiale Electromagnétisme Physique de la Lumière systèmes de particules

25 Différentes théories physiques : autant de simulateurs Dynamique du point Dynamique du solide Dynamique des objets déformables Dynamique des fractures Dynamique des milieux granulaires Dynamique des fluides Dynamique des milieux gazeux Dynamique chimique Dynamique sub-atomique Dynamique spatiale Electromagnétisme Physique de la Lumière simulateurs S.P.H Smooth Particles Hydrodynamics

26 Différentes théories physiques : autant de simulateurs Dynamique du point Dynamique du solide Dynamique des objets déformables Dynamique des fractures Dynamique des milieux granulaires Dynamique des fluides Dynamique des milieux gazeux Dynamique chimique simulateurs Navier-Stokes Dynamique sub-atomique Dynamique spatiale Electromagnétisme simulateurs Coulomb Physique de la Lumière radiosités

27 Différentes théories physiques : autant de simulateurs Dynamique du point Dynamique du solide Dynamique des objets déformables Dynamique des fractures Dynamique des milieux granulaires Dynamique des fluides Dynamique des milieux gazeux Dynamique chimique Dynamique sub-atomique Dynamique spatiale Electromagnétisme Physique de la Lumière Différences Finies

28 Différentes théories physiques : autant de simulateurs Dynamique du point Dynamique du solide Dynamique des objets déformables Dynamique des fractures Dynamique des milieux granulaires Dynamique des fluides Dynamique des milieux gazeux Dynamique chimique Dynamique sub-atomique Dynamique spatiale Electromagnétisme Physique de la Lumière Éléments Finis

29 Différentes théories physiques : autant de simulateurs Dynamique du point Dynamique du solide Dynamique des objets déformables Dynamique des fractures Dynamique des milieux granulaires Dynamique des fluides Dynamique des milieux gazeux Dynamique chimique Dynamique sub-atomique Dynamique spatiale Electromagnétisme Physique de la Lumière Assemblage Particulaire

30 Dynamique du Point : à la base de (presque) tout vue en détail dans les cours suivants Dynamique du Solide : le plus simple à mettre en oeuvre (sauf les interactions...) dyn. du point + rotations instantanées usages : objets indéformables atouts : simple, robuste limites : gestion des interactions rigidité absolue réalisme très limité tps. réel (CPU) jeux vidéo

31 Dynamique des Objets Déformables : soft-bodies / textiles déformations à topologie fixe vu en détail dans les cours suivants dyn. du point + topologie d'interconnexion usages : soft-bodies, textiles, poils... atouts : simple, très riche limites : super-élasticité objets très rigides devient lourd et/ou complexe

32 Dynamique des Fractures : interfaces solide/déformable déformations à topologie variable Vue rapidement dans les cours suivants Illustration de la méthode des Eléments Finis

33 Dynamique Granulaire : interfaces solide/liquides déformations sans topologie grains / sables / pâtes / fluides

34 Systèmes de Particules : grains? Fluides?

35 Systèmes de Particules : grains? Fluides?

36 Systèmes de Particules : faux 3D

37 Systèmes de Particules : vrai 3D

38 Dynamique Granulaire : interfaces solide/particules Bullet Physics

39 Dynamique des Fluides : pâtes / liquides / gaz

40 Dynamique des Milieux Gazeux : fumées, flames, explosions

41 Dynamiques Chimiques :

42 Simulation climatique : courants océaniques atmosphère

43 Simulation astrophysique :

44 pour aller encore plus loin : Simulation Comportementale (behavioral) et Vie Artificielle (a-life)

45 Flock, School, Swarm... : boids / ant-colony

46 Simulation de foules :

47 Simulation de foules : système de particules détourné

48 Vie Artificielle :

49 Système de Particules : auto-organisation

50 Et ça continue... : Morphogénèse : croissance de végétaux Biogénèse : modèles cellulaires Modèles génétiques Nano-Technologies

51 Vue d'ensemble : évolution des techniques questions éthiques? Vie Artificielle 2020 nano-tech. Intelligence Artificielle 2010 s ique g o l io es b l è d Mo Modèles cognitifs robotique Modèles comportementaux 2000 sciences du vivant 1990 nèse é g o h Morp Modèles dynamiques 1980 Modèles cinétiques 1970 animation traditionnelle Modèles géométriques sciences physiques

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