Hybrid and data-driven methods for efficient and realistic particle-based liquid simulations

L’approximation de phénomènes physiques, tels qu’une simulation de liquides en informatique graphique, requiert l’utilisation de méthodes complexes nécessitant des temps de calcul et une quantité de mémoire importants. Malgré les avancées récentes dans ce domaine, l’écart en réalisme entre un liquide simulé et la réalité demeure encore aujourd’hui considérable. Cet écart nous séparant du réalisme souhaité nécessite des modèles numériques de simulation dont la complexité ne cesse de croître. L’objectif ultime est de permettre à l’utilisateur de manipuler ces modèles de simulation de liquides sans la nécessité d’avoir une connaissance accrue de la physique requise pour atteindre un niveau de réalisme acceptable et ce, en temps réel. Plusieurs approches ont été revisitées dans les dernières années afin de simplifier ces modèles ou dans le but de les rendre plus facilement paramétrables. Cette thèse par articles encadre bien les trois projets constituant nos contributions dans le but d’améliorer et de faciliter la génération de simulations de liquides en informatique graphique.  Tout d’abord, nous introduisons une approche hybride permettant de traiter séparément le volume de liquide non-apparent (i.e., en profondeur) et une couche de particules en surface par la méthode de calcul Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Nous revisitons l’approche par bandes de particules, mais cette fois nouvellement appliquée à la méthode SPH qui offre un niveau de réalisme supérieur. Comme deuxième projet, nous proposons une approche permettant d’améliorer le niveau de détail des éclaboussures de liquides. En suréchantillonnant une simulation de liquides existante, notre approche est capable de générer des détails réalistes d’éclaboussures grâce à la dynamique de balistique. En complément, nous proposons une méthode de simulation par vagues permettant de reproduire les interactions entre les éclaboussures générées et les portions quasi-statiques de la simulation existante. Finalement, le troisième projet introduit une approche permettant de rehausser la résolution apparente d’un liquide par l’apprentissage automatique. Nous proposons une architecture d’apprentissage inspirée des flux optiques dont l’objectif est de générer une correspondance entre le déplacement des particules de simulations de liquides à différentes résolutions (i.e., basses et hautes résolutions). Notre modèle d’apprentissage permet d’encoder des caractéristiques de hautes résolutions à l’aide de déformations pré-calculées entre deux liquides à différentes résolutions et d’opérations de convolution basées sur le voisinage des particules. The approximation of natural phenomena such as liquid simulations in computer graphics requires complex methods that are computationally expensive. Despite recent advances in this field, the gap in realism between a simulated liquid and reality remains considerable. This disparity that separates us from the desired realism requires numerical models whose complexity continues to grow. The ultimate goal is to provide users the capacity and tools to manipulate these liquid simulation models to obtain acceptable realism. In the last decade, several approaches have been revisited to simplify and to allow more flexible models. In this dissertation by articles, we present three projects whose contributions support the improvement and flexibility of generating liquid simulations for computer graphics.  First, we introduce a hybrid approach allowing us to separately process the volume of non-apparent liquid (i.e., in-depth) and a band of surface particles using the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method. We revisit the particle band approach, but this time newly applied to the SPH method, which offers a higher level of realism. Then, as a second project, we propose an approach to improve the level of detail of splashing liquids. By upsampling an existing liquid simulation, our approach is capable of generating realistic splash details through ballistic dynamics. In addition, we propose a wave simulation method to reproduce the interactions between the generated splashes and the quasi-static portions of the existing liquid simulation. Finally, the third project introduces an approach to enhance the apparent resolution of liquids through machine learning. We propose a learning architecture inspired by optical flows by which we generate a correspondence between the displacement of the particles of liquid simulations at different resolutions (i.e., low and high resolutions). Our training model allows high-resolution features to be encoded using pre-computed deformations between two liquids at different resolutions and convolution operations based on the neighborhood of the particles.

Keyphrases: Liquide par particules, Modèle de simulation hybride, Bande de particules, Éclaboussures de liquide, Suréchantillonnage, Simulation par vagues, Apprentissage automatique, Apprentissage profond, Rehausse de détails, Déformations inter-résolution, Convolution par voisinage, Particle-based liquid, Hybrid simulation model, Particle band, Liquid splash, Upsampling, Wave simulation, Machine learning, Deep learning, Up-res details, Inter-resolution deformations, Neighborhood convolutions