Patch-based texture synthesis on 3D fluids

Gagnon, Jonathan (2022). Patch-based texture synthesis on 3D fluids. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

Prévisualisation

PDF Télécharger (22MB) | Prévisualisation

Résumé

We propose three different approaches to synthesise a texture on an animated fluid free surface based on texture exemplars. Overall, our approaches are applied as a post-process to a fluid simulation. We used polygon patches to store texture uv coordinates. We advect trackers or polygon patches to move the texture along the fluid flow. The patches are covering the whole surface every frame of the animation. We use a texture atlas to compute the resulting animated texture.

In the first approach, particle trackers are scattered on the surface of the fluid, and used to track deformations and topological changes. For every frame of the animation, the trackers are advected and rotated coherently with the flow of the fluid. Receiver polygons are identified on the fluid surface and are used to transfer uv coordinates, while ensuring a controllable amount of texture distortion. The density of the trackers is adjusted when constructing a texture atlas used for rendering. Trackers that remain unused when filling the atlas are safely removed, while texels of the atlas without any corresponding tracker identify areas where new trackers will be added. Together with our patch layering approach, this tracker creation and removal process reduces popping artifacts.

In the second approach, we synthesize temporally coherent patch-based textures on the free surface of fluids using deformable patches. We seek to maintain a Poisson disk distribution of patches, and following advection, the Poisson disk criterion determines where to add new patches and which patches should be flagged for removal. The removal considers the local number of patches: in regions containing too many patches, we accelerate the temporal removal. This reduces the number of patches while still meeting the Poisson disk criterion. Reducing areas with too many patches speeds up the computation and avoids patch-blending artifacts.

In the third approach, using lapped textures combined with deformable patches, we successfully remove blending artifact and rigid artifact seen in previous methods. We remain faithful to the texture exemplar by removing distorted patch texels using a patch erosion process. The patch erosion is based on a feature map provided together with the exemplar as inputs to our approach. The erosion favors removing texels toward the boundary of the patch as well as texels corresponding to more distorted regions of the patch. Where texels are removed leaving a gap on the surface, we add new patches below existing ones. The result is an animated texture following the velocity field of the fluid. We show that our approaches provide good results for many fluid simulation scenarios, and with many texture exemplars.

Titre traduit

Synthèse de texture à l’aide de parcelles sur des fluides 3D

Résumé traduit

Nous proposons trois approches différentes pour synthétiser à partir d’exemples de texture une texture sur la surface libre de fluide animée. Globalement, nos approches sont appliquées en post-traitement à une simulation de fluide. Nous avons utilisé des parcelles polygonales pour stocker les coordonnées uv de la texture. Nous advectons des marqueurs ou des parcelles polygonaux pour déplacer la texture avec l’écoulement du fluide. Les parcelles couvrent toute la surface du fluide à chaque image de l’animation. Nous utilisons un atlas de texture pour calculer la texture animée résultante.

Dans la première approche, les particules marqueurs sont dispersées sur la surface du fluide et utilisées pour suivre les déformations et les changements topologiques. Pour chaque image de l’animation, les marqueurs sont advectés et tournés de manière cohérente avec l’écoulement du fluide. Les polygones récepteurs sont identifiés sur la surface du fluide et sont utilisés pour transférer les coordonnées uv, tout en garantissant une quantité contrôlable de distorsion de texture. La densité des marqueurs est ajustée lors de la construction de l’atlas de texture utilisé pour le rendu. Les marqueurs qui restent inutilisés lors du remplissage de l’atlas sont supprimés, tandis que les texels de l’atlas sans tracker correspondant identifient les zones où de nouveaux marqueurs seront ajoutés. Associé à notre approche de superposition de parcelles, ce processus de création et de suppression de marqueurs réduit les artefacts de changement soudain.

Dans la deuxième approche, nous synthétisons des textures à base de parcelles temporellement cohérentes sur la surface libre des fluides à l’aide de parcelles déformables. Nous cherchons à maintenir une distribution de disque de Poisson pour la position des parcelles, et après l’advection, le critère du disque de Poisson détermine où ajouter de nouveaux parcelles et quels parcelles doivent être signalés pour suppression. La suppression tient compte du nombre local de parcelles : dans les régions contenant trop de parcelles, on accélère la suppression temporelle. Cela réduit le nombre de parcelles tout en respectant le critère du disque de Poisson. La réduction des zones avec trop de parcelles accélère le calcul et évite les artefacts de mélange de parcelles.

Dans la troisième approche, en utilisant des textures superposées combinées à des parcelles déformables, nous avons réussi à supprimer l’artefact de mélange et l’artefact rigide observés dans les méthodes précédentes. Nous restons fidèles à l’exemple de texture en supprimant les texels de parcelles déformés à l’aide d’un processus d’érosion de parcelle. L’érosion des parcelles est basée sur une carte des caractéristiques fournie avec l’exemple de texture en tant qu’entrées de notre approche. L’érosion favorise l’élimination des texels vers la frontière du parcelles ainsi que des texels correspondant à des régions plus déformées du parcelle. Là où les texels sont supprimés en laissant un espace sur la surface, nous ajoutons de nouveaux parcelles sous ceux existants. Le résultat est une texture animée suivant le champ de vitesse du fluide. Nous montrons que nos approches fournissent de bons résultats pour de nombreux scénarios de simulation de fluides, et avec de nombreux exemples de texture.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 87-90).
Mots-clés libres:	synthèse de texture, simulation de fluide
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Paquette, Eric
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	24 oct. 2022 13:14
Dernière modification:	24 oct. 2022 13:14
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3096

Gestion Actions (Identification requise)

Dernière vérification avant le dépôt