Exploring the Use of Adaptively Restrained Particles for Graphics Simulations

International audienceIn this paper, we explore the use of Adaptively Restrained (AR) particles for graphics simulations. Contrary to previous methods, Adaptively Restrained Particle Simulations (ARPS) do not adapt time or space sampling, but rather switch the positional degrees of freedom of particles on and off, while letting their momenta evolve. Therefore, inter-particles forces do not have to be updated at each time step, in contrast with traditional methods that spend a lot of time there. We present the initial formulation of ARPS that was introduced for molecular dynamics simulations, and explore its potential for Computer Graphics applications: We first adapt ARPS to particle-based fluid simulations and propose an efficient incremental algorithm to update forces and scalar fields. We then introduce a new implicit integration scheme enabling to use ARPS for cloth simulation as well. Our experiments show that this new, simple strategy for adaptive simulations can provide significant speedups more easily than traditional adaptive models

Space-time sculpting of liquid animation

International audienceWe propose an interactive sculpting system for seamlessly editing pre-computed animations of liquid, without the need for any re-simulation. The input is a sequence of meshes without correspondences representing the liquid surface over time. Our method enables the efficient selection of consistent space-time parts of this animation, such as moving waves or droplets, which we call space-time features. Once selected, a feature can be copied, edited, or duplicated and then pasted back anywhere in space and time in the same or in another liquid animation sequence. Our method circumvents tedious user interactions by automatically computing the spatial and temporal ranges of the selected feature. We also provide space-time shape editing tools for non-uniform scaling, rotation, trajectory changes, and temporal editing to locally speed up or slow down motion. Using our tools, the user can edit and progressively refine any input simulation result, possibly using a library of pre-computed space-time features extracted from other animations. In contrast to the trial-and-error loop usually required to edit animation results through the tuning of indirect simulation parameters, our method gives the user full control over the edited space-time behaviors

Interactive procedural simulation of paper tearing with sound

International audienceWe present a phenomenological model for the real-time simulation of paper tearing and sound. The model uses as input rotations of the hand along with the index and thumb of left and right hands to drive the position and orientation of two regions of a sheet of paper. The motion of the hands produces a cone shaped deformation of the paper and guides the formation and growth of the tear. We create a model for the direction of the tear based on empirical observation, and add detail to the tear with a directed noise model. Furthermore, we present a procedural sound synthesis method to produce tearing sounds during interaction. We show a variety of paper tearing examples and discuss applications and limitations

Interactive Detailed Cutting of Thin Sheets

International audienceIn this paper we propose a method for the interactive detailed cutting of deformable thin sheets. Our method builds on the ability of frame-based simulation to solve for dynamics using very few control frames while embedding highly detailed geometry - here an adaptive mesh that accurately represents the cut boundaries.Our solution relies on a non-manifold grid to compute shape functions that faithfully adapt to the topological changes occurring while cutting. New frames are dynamically inserted to describe new regions. We provide incremental mechanisms for updating simulation data, enabling us to achieve interactive rates. We illustrate our method with examples inspired by the traditional Kirigami artform

Simulation et contrôle de phénomènes physiques

In computer graphics, the physical phenomena simulated for the creation of animations, video games or the design of objects are found to be more and more complex:First, in terms of the computational cost, the scale of the simulations is more and more important;Then, in terms of the complexity of the phenomena themselves, which require the models to be able to change their state and shape.This growing complexity introduces new challenges in order to offer control on these large scale simulations to the user.In many cases, this control is reduced to a trial-and-error process in order to determine the parameters of the simulation which best meet the objectives of the user.In this thesis, we propose three techniques to tackle these challenges.First, we introduce a new adaptive model which allows to reduce the computational cost in Lagrangian simulations of particles.In contrast with re-sampling strategies, the number of degrees of freedom remains constant throughout the simulation.Therefore, the method is simpler to integrate into an existing simulator and the memory consumption remains constant, which can be an advantage in an interactive context.Then, we propose an algorithm which allows the detailed cutting of thin deformable objects.Our method relies on a dynamic update of the shape functions associated to the degrees of freedom, which therefore allows to keep a very low number of degrees of freedom while performing detailed topological changes.Finally, we focus on the control of the fluid animations and take inspiration from interactive methods of shape editing in the field of 3D modeling.We introduce a system where the user directly edits the result of the simulation, i.e. a sequence of meshes representing the surface of the fluid.We propose selection and editing spatio-temporal tools inspired from static shapes sculpting software.En informatique graphique les phénomènes physiques simulés pour la création d'animations, de jeux vidéos ou la conception d'objets sont de plus en plus complexes:Tout d'abord en terme de coût de calcul, l'échelle des simulations étant de plus en plus importante;Ensuite en terme de complexité phénomènes eux-mêmes qui requièrent des modèles permettant de changer d'état et de forme.Cette complexité grandissante introduit de nouveaux défis quand il s'agit d'offrir à un utilisateur un contrôle sur ces simulations à grande échelle.Dans de nombreux cas, ce contrôle est réduit à un cycle d'essais et d'erreurs pour déterminer les paramètres de la simulation qui satisferont au mieux les objectifs de l'utilisateur.Dans cette thèse, nous proposons trois techniques pour répondre en partie à ces défis.Tout d'abord nous introduisons un nouveau modèle adaptatif permettant de réduire le temps de calcul dans des simulations Lagrangiennes de particules.À l'inverse des méthodes de ré-échantillonnage, le nombre de degrés de liberté reste constant au cours de la simulation.La méthode est ainsi plus simple à intégrer dans un simulateur existant et la charge mémoire est constante ce qui peut être un avantage dans un contexte interactif.Ensuite, nous proposons un algorithme permettant de réaliser la découpe détaillée d'objets fins et déformables.Notre méthode s'appuie sur une mise à jour dynamique des fonctions de forme associées à chaque degré de liberté, permettant ainsi de conserver un nombre de degré de liberté très faible tout en réalisant des changements topologiques détaillés.Enfin, nous nous intéressons au contrôle d'animations de fluide en s'inspirant des méthodes d'édition intéractive de formes en modélisation 3D.Dans ce système, l'utilisateur travaille directement avec le résultat d'une simulation, c'est à dire une suite de maillages représentant la surface du fluide.Des outils de sélection et d'édition spatio-temporelle inspirés des logiciels de sculpture de formes statiques lui sont proposés

Simulation et contrôle de phénomènes physiques

In computer graphics, the physical phenomena simulated for the creation of animations, video games or the design of objects are found to be more and more complex:First, in terms of the computational cost, the scale of the simulations is more and more important;Then, in terms of the complexity of the phenomena themselves, which require the models to be able to change their state and shape.This growing complexity introduces new challenges in order to offer control on these large scale simulations to the user.In many cases, this control is reduced to a trial-and-error process in order to determine the parameters of the simulation which best meet the objectives of the user.In this thesis, we propose three techniques to tackle these challenges.First, we introduce a new adaptive model which allows to reduce the computational cost in Lagrangian simulations of particles.In contrast with re-sampling strategies, the number of degrees of freedom remains constant throughout the simulation.Therefore, the method is simpler to integrate into an existing simulator and the memory consumption remains constant, which can be an advantage in an interactive context.Then, we propose an algorithm which allows the detailed cutting of thin deformable objects.Our method relies on a dynamic update of the shape functions associated to the degrees of freedom, which therefore allows to keep a very low number of degrees of freedom while performing detailed topological changes.Finally, we focus on the control of the fluid animations and take inspiration from interactive methods of shape editing in the field of 3D modeling.We introduce a system where the user directly edits the result of the simulation, i.e. a sequence of meshes representing the surface of the fluid.We propose selection and editing spatio-temporal tools inspired from static shapes sculpting software.En informatique graphique les phénomènes physiques simulés pour la création d'animations, de jeux vidéos ou la conception d'objets sont de plus en plus complexes:Tout d'abord en terme de coût de calcul, l'échelle des simulations étant de plus en plus importante;Ensuite en terme de complexité phénomènes eux-mêmes qui requièrent des modèles permettant de changer d'état et de forme.Cette complexité grandissante introduit de nouveaux défis quand il s'agit d'offrir à un utilisateur un contrôle sur ces simulations à grande échelle.Dans de nombreux cas, ce contrôle est réduit à un cycle d'essais et d'erreurs pour déterminer les paramètres de la simulation qui satisferont au mieux les objectifs de l'utilisateur.Dans cette thèse, nous proposons trois techniques pour répondre en partie à ces défis.Tout d'abord nous introduisons un nouveau modèle adaptatif permettant de réduire le temps de calcul dans des simulations Lagrangiennes de particules.À l'inverse des méthodes de ré-échantillonnage, le nombre de degrés de liberté reste constant au cours de la simulation.La méthode est ainsi plus simple à intégrer dans un simulateur existant et la charge mémoire est constante ce qui peut être un avantage dans un contexte interactif.Ensuite, nous proposons un algorithme permettant de réaliser la découpe détaillée d'objets fins et déformables.Notre méthode s'appuie sur une mise à jour dynamique des fonctions de forme associées à chaque degré de liberté, permettant ainsi de conserver un nombre de degré de liberté très faible tout en réalisant des changements topologiques détaillés.Enfin, nous nous intéressons au contrôle d'animations de fluide en s'inspirant des méthodes d'édition intéractive de formes en modélisation 3D.Dans ce système, l'utilisateur travaille directement avec le résultat d'une simulation, c'est à dire une suite de maillages représentant la surface du fluide.Des outils de sélection et d'édition spatio-temporelle inspirés des logiciels de sculpture de formes statiques lui sont proposés

Simulation and control of physical phenomena

En informatique graphique les phénomènes physiques simulés pour la création d'animations, de jeux vidéos ou la conception d'objets sont de plus en plus complexes:Tout d'abord en terme de coût de calcul, l'échelle des simulations étant de plus en plus importante;Ensuite en terme de complexité phénomènes eux-mêmes qui requièrent des modèles permettant de changer d'état et de forme.Cette complexité grandissante introduit de nouveaux défis quand il s'agit d'offrir à un utilisateur un contrôle sur ces simulations à grande échelle.Dans de nombreux cas, ce contrôle est réduit à un cycle d'essais et d'erreurs pour déterminer les paramètres de la simulation qui satisferont au mieux les objectifs de l'utilisateur.Dans cette thèse, nous proposons trois techniques pour répondre en partie à ces défis.Tout d'abord nous introduisons un nouveau modèle adaptatif permettant de réduire le temps de calcul dans des simulations Lagrangiennes de particules.À l'inverse des méthodes de ré-échantillonnage, le nombre de degrés de liberté reste constant au cours de la simulation.La méthode est ainsi plus simple à intégrer dans un simulateur existant et la charge mémoire est constante ce qui peut être un avantage dans un contexte interactif.Ensuite, nous proposons un algorithme permettant de réaliser la découpe détaillée d'objets fins et déformables.Notre méthode s'appuie sur une mise à jour dynamique des fonctions de forme associées à chaque degré de liberté, permettant ainsi de conserver un nombre de degré de liberté très faible tout en réalisant des changements topologiques détaillés.Enfin, nous nous intéressons au contrôle d'animations de fluide en s'inspirant des méthodes d'édition intéractive de formes en modélisation 3D.Dans ce système, l'utilisateur travaille directement avec le résultat d'une simulation, c'est à dire une suite de maillages représentant la surface du fluide.Des outils de sélection et d'édition spatio-temporelle inspirés des logiciels de sculpture de formes statiques lui sont proposés.In computer graphics, the physical phenomena simulated for the creation of animations, video games or the design of objects are found to be more and more complex:First, in terms of the computational cost, the scale of the simulations is more and more important;Then, in terms of the complexity of the phenomena themselves, which require the models to be able to change their state and shape.This growing complexity introduces new challenges in order to offer control on these large scale simulations to the user.In many cases, this control is reduced to a trial-and-error process in order to determine the parameters of the simulation which best meet the objectives of the user.In this thesis, we propose three techniques to tackle these challenges.First, we introduce a new adaptive model which allows to reduce the computational cost in Lagrangian simulations of particles.In contrast with re-sampling strategies, the number of degrees of freedom remains constant throughout the simulation.Therefore, the method is simpler to integrate into an existing simulator and the memory consumption remains constant, which can be an advantage in an interactive context.Then, we propose an algorithm which allows the detailed cutting of thin deformable objects.Our method relies on a dynamic update of the shape functions associated to the degrees of freedom, which therefore allows to keep a very low number of degrees of freedom while performing detailed topological changes.Finally, we focus on the control of the fluid animations and take inspiration from interactive methods of shape editing in the field of 3D modeling.We introduce a system where the user directly edits the result of the simulation, i.e. a sequence of meshes representing the surface of the fluid.We propose selection and editing spatio-temporal tools inspired from static shapes sculpting software