Simulation de Fracture d'Objets Fragiles basée Physique et en Temps-Réel Pour les Applications Interactives

In the Computer Graphics community, the animation of fracture is a key ingredient for special effects such as explosion and destruction in the movie and video game industries. Cracks are also naturally observable on aging objects like bark on trees, old roads damaged by the time and the weather. However, simulating a realistic fracture for interactive application is still challenging, especially for brittle materials that are most of the time stiff. Indeed, the fracture phenomenon intrinsically brings unique challenges on the real-time simulation of deformations due to impacts, on the collision detection algorithms, and on the evaluation and validation methods. In this manuscript, we propose new approaches to simulate efficiently realistic and real-time impact-based and age-based fracture, to handle collision detection between complex fragments, and to validate objectively and subjectively the simulations. The first contribution proposed in this manuscript is a new model of the fracture state of bodies. This model allows efficient updates to simulate crack propagations, allows efficient output of fragment surfaces for rendering, and clearly separates the model of deformation and the fracture phenomenon. We then propose a new approach based on modal analysis to simulate efficiently impact-based fracture, handling dynamic deformations of the bodies during impacts. Finally, we address aged-based fracture, allowing fast and realistic simulation of cracking bodies due to age. The second contribution deals with the interaction with fracturable bodies. We propose a new approach for the collision detection between dynamically created fragments, that allows real-time treatment of the collisions in complex scenes. The efficiency of our global system allows us to implement an haptic interaction with bodies that can fracture freely. In order to ensure the stability of the interactions, we propose a new coupling method between the simulation and haptics based on the definition of a sub-world that helps maintaining the high refresh rate imposed by this modality of interaction. Finally, we present partial validations of this work through a perceptive study, example-based fracture pattern with an optimization of fracture parameters, and fracture experiments on real objects. We also define a new metric for fracture pattern similarity based on a statistical analysis of the geometry of the fracture patterns obtained. All these contributions gathered yield a complete simulator of realistic brittle fracture, handling collision detection with complex non-convex shapes, stiff deformations during impacts, dynamic free cracks surfaces propagation at simulation rates that were not possible before.En informatique graphique, l'animation et la simulation de la fracture est un élément clef pour les effets d'explosion et de destructions dans l'industrie du film ou du jeu vidéo. Le phénomène de fracture est aussi observable dans la nature sur des objets vieillissants tels que l'écorce d'arbre, ou les routes urbaines subissant les intempéries et le temps. Cependant, simuler de façon réaliste la fracture dans les applications interactives reste un problème ouvert, surtout pour les objets fragiles. En effet, le phénomène de fracture apporte des défis uniques au niveau de la simulation en temps réel des déformations dues aux impacts, au niveau des algorithmes de détection de collision, et en terme d'évaluation et de validation. Dans ce manuscrit, nous présentons de nouvelles approches pour simuler efficacement, en temps réel et de façon réaliste la fracture d'objets fragiles due à des impacts ou au vieillissement, pour gérer la détection de collision entre les débris générés, ainsi que pour évaluer subjectivement et objectivement les simulations obtenues. La première contribution proposée est un nouveau modèle d'état de fracture des objets. Ce nouveau modèle permet un stockage et une mise à jour efficace de l'état de fracture pour simuler la propagation de fractures, et permet une de générer représentation graphique efficacement. Nous proposons ensuite une nouvelle approche basée sur l'analyse modale pour simuler efficacement la fracture due aux impacts, en présentant une méthode de simulation de la dynamique de la déformation des objets pendant les impacts. Finalement, nous traitons le cas de la fracture due au vieillissement, en présentant une nouvelle méthode de propagation de fracture dans des objets vieillissants. La deuxième contribution concerne les interactions entre les objets fracturables. Nous proposons une nouvelle approche de détection de collision entre des fragments générés dynamiquement, qui permet un traitement des collisions en temps réel dans des scènes complexes. L'efficacité du système globale nous a permis d'implémenter une interaction haptique avec des objets fracturables. Afin de garantir la stabilité de l'interaction haptique, nous proposons une nouvelle méthode de couplage entre la simulation et l'haptique basée sur la définition d'un sous monde haptique qui aide à maintenir les fréquences de rafraîchissement élevées imposées par cette modalité d'interaction. Finalement, nous présentons des validations partielles de nos contributions à travers d'études utilisateurs, une méthode d'optimisation des paramètres de simulation pour générer des modèles de fracture par l'exemple, ainsi que des expériences sur des objets réels. Nous définissons aussi une métrique pour la similarité des modèles de fracture basée sur une analyse statistique sur la géométrie des débris obtenus. Toutes ces contributions réunies forment un simulateur complet pour la simulation réaliste de la fracture d'objets fragiles, comprenant la détection de collision entre des objets non convexes, la simulation de la déformation d'objets rigides, la propagation dynamique des surfaces de fracture à des vitesses de simulation inégalées