Modélisation et Animation de Matériaux Hautement Déformables en Synthèse d'Images

In this thesis, we are dealing with computer graphics modeling and animation of highly deformable materials. Our work is aimed at creating virtual physically-based models of matter, able to automatically deform due to interactions with the environment. Coping with large deformation is known to be time consuming, so efficiency and visual quality are the key issues as they can open avenues such as surgery simulation or virtual reality in general. After a review of previous related work, we present a hybrid model for highly deformable materials that combines implicit surfaces and a particle system. It results in a global model that gathers the advantages of the two approaches, and other valuable properties as volume preservation. Then we discuss conventional particle system weaknesses. An alternative model is thus proposed allowing a space-time adaptative simulation, where particles can subdivide to better discretize fast deforming areas, or merge to simplify stable regions. Computations are therefore stable and optimized as discretization is automatically adapted. Lastly, an active implicit skin model is introduced. This deformable surface can coat any deformable model both providing a neat visualization and confering physical properties such as surface tension. More generally, it offers an efficient yet low-cost technique to visualize adaptive models, avoiding “popping” effects through smoothing of sudden internal change of granularity. The new models we developed seem to promise a fully adaptive simulation of deformable objects as computations are minimized to ensure a given accuracy and focussed where needed.Cette thèse porte sur la modélisation et l'animation de matériaux hautement déformables en Synthèse d'Images. Le but est de créer des modèles virtuels de matière, à base de physique, capables de se déformer et d'interagir avec leur environnement de façcon automatique. La difficulté principale est d'assurer l'efficacité des calculs et la qualité visuelle résultante mˆeme dans les cas de déformations extrˆemes, pour alors permettre d'utiliser ces modèles dans le cadre de simulateurs, et plus généralement, en réalité virtuelle. Après avoir passé en revue les modèles existants, nous proposons un premier modèle hybride de matériaux hautement déformables combinant système de particules et surfaces implicites. Les avantages de ces deux techniques sont cumulés pour aboutir à un modèle global capable aussi bien de séparations que de fusions, en assurant aussi d'autres propriétés comme la conservation de volume. Nous discutons dans un second temps de l'inadéquation des systèmes de particules classiques. Une alternative est alors presentée, sous forme d'un nouveaumodèle permettant une simulation adaptative en temps et en espace, où les particules peuvent se subdiviser dans les régions subissant de fortes deformations, et au contraire se regrouper dans les régions stables. L'adaptation de la discrétisation de la matière permet ainsi de répartir les calculs de façcon efficace, tout en assurant la stabilité de la simulation. Enfin, un modèle de peau implicite active est exposé. Ce modèle permet d'animer une surface déformable chargée d'enrober un modèle physique quelconque pour à la fois lui fournir une visualisation et des propriétés physiques comme une tension de surface : on obtient ainsi une solution efficace et peu onéreuse à la visualisation du modèle particulaire adaptatif précédent, en filtrant les changements internes de discrétisation. Ainsi, ces nouveaux modèles ouvrent la voie à la simulation adaptative d'objets déformables, qui permet de minimiser les calculs pour une précision donnée