Physics-based control of virtual character in complex environment

Cette thèse traite de l’animation de personnages virtuels composés de corps rigides reliés par des articulations et contrôlés par des interactions physiques (forces et moments). Le contrôleur est le système qui calcule dynamiquement ces interactions. Notre objectif est d’étudier et de réaliser un contrôleur pour la simulation de mouvements d’un personnage en interaction avec un fluide. La complexité du comportement de tels milieux ne permet pas de prédire les interactions entre le personnage et le fluide. Il en découle que le contrôleur proposé doit être capable de réagir à celles-ci. Nous avons focalisé nos travaux sur la conception d’un contrôleur de type SIMBICON capable de s’adapter aux perturbations apportées par la présence d’un fluide simulé physiquement. Ce choix est motivé par notre contrôleur précédent qui proposait un contrôleur en interaction avec un fluide représenté à travers l’utilisation de formule de dynamique des fluides simples. L’utilisation d’une véritable simulation physique du fluide nous permettrait d’améliorer le réalisme physique de la simulation en prenant en compte l’impact du déplacement du personnage sur le fluide. Ayant pour objectif un contrôleur interactif nous nous sommes focalisés sur deux axes principaux. Le premier est la conception d’un contrôleur capable de supporter des fréquences de simulation faibles tout en conservant la vitesse de calcul apporté par l’utilisation du modèle SIMBICON. Nous proposons de réduire les instabilités introduites par l’utilisation de fréquences de simulation faibles par un système de feedback utilisant une optimisation en ligne permettant d’obtenir une meilleure stabilité des contacts. Ce système, associé à une étude des paramètres du système en fonction de la fréquence de simulation, nous a permis de proposer un contrôleur capable de supporter des fréquences de simulation allant jusqu’à 225Hz. Le second axe de recherche visait à proposer une implémentation entièrement GPU et interactive d’une simulation lagrangienne de fluide. Nous avons étudié l’impact sur les performances de notre implémentation GPU de plusieurs optimisations proposé par des travaux proposant des implémentations parallèles CPU. Nous proposons également une solution permettant de déplacer la zone de fluide simulé en cours de simulation pour limiter l’espace de simulation du fluide à la proximité immédiate du personnage au cours de son déplacement pour assurer une simulation du fluide en temps interactif.This thesis deals with the animation of virtual characters composed of rigid bodies linked by joints and controlled by physic interactions (forces and torques). The controller is the system that dynamically calculates these interactions. Our goal is to study and create a controller that is able to control the character interacting with a fluid. The complexity of the behavior of such environment renders predicting the interactions between the fluid and the character impossible. Therefore, the controller must be able to react to such interactions. We have focused our works on the conception of a SIMBICON typed controller that is able to handle the perturbations caused by the physically simulated fluid. This choice is motivated by our previous controller that was able to handle the interactions with a simplified fluid based on simplified fluid dynamics equations. The use of the complete fluid dynamic equations should allow for a higher realism by taking into account to impact of the character motion on the fluid. Since our objective is to obtain an interactive controller, we focus our works on two main axes. The first one is the conception of a controller able to handle low simulation frequencies while keeping the high computation speed brought by the use of the SIMBICON framework. We propose to use a feedback system using an online optimization to reduce the instabilities caused by the of the low simulation frequencies. On top of this system, we study the evolution of the value of the PD-controllers depending on the simulation frequency to be able to propose a controller able to handle simulation frequencies as low as 225Hz. The second research axis aims to conceive a fully GPU implementation of a Lagrangian fluid simulation. We study the impact of various optimization proposed by previous work on our GPU implementation. We also present a system allowing us to move the simulation area of the fluid to be able to keep the character centered in the fluid simulation. This system allows us to only use a small area for the fluid simulation allowing us to propose a system showing interactive execution times