Efficient and detailed simulation of fluids for 3D computer graphics

Dagenais, François (2025). Efficient and detailed simulation of fluids for 3D computer graphics. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Physical simulations are often used in the field of computer graphics to replicate the motion of complex materials such as liquids and snow. The resolution and visual quality of these simulations are generally limited by the available memory and computation times. In this thesis, we introduce three novel approaches that aim to provide visually detailed simulations with reduced memory requirements and computation times. The first approach uses an explicit mesh surface that follows a particle-based simulation of a liquid. It uses a detail-preserving projection to prevent drifting of the surface from the particles. Additionally, we introduced a new topology matching stage which ensures that the surface topology remains consistent with the particles. This approach makes it possible to have a surface with finer visual details on top of a simulation with fewer particles, thus faster to compute. This approach has been tested with both smoothed-particle hydrodynamics (SPH) and fluid implicit particle (FLIP) simulations with success. Furthermore, it can be run after the whole simulation has been computed, making it ideal for the typical iterative process of visual effects studios. The second approach targets the simulation of a layer of snow on the ground that interacts with animated characters and objects. It decomposes the snow volume into three components: the base layer (untouched snow), dynamic snow, and finer particles of snow. This decomposition allows using a lightweight volumetric representation for the base layer, and a more efficient Semi-Lagrangian fluid simulation for the finer particles. As the characters interact with the snow, it is transferred from the base layer to the dynamic snow, which relies on a memory and computation expensive particle-based simulation. In turn, as dynamic snow particles are shoved in the air, density is added in the finer snow simulation. This decomposition allows us to simulate much larger volumes of snow with more details by focusing memory and computation times where it is needed the most. The third approach efficiently simulates and visualizes small-scale liquids in real-time using a 2.5D simulation of columns of liquid. It introduces a novel surface construction algorithm that better handles overhangs and changes in topology, as well as a new physically-based model for viscosity that is both stable and fast. This model relies on assumptions that enable simplifications of the underlying physical equations. While these assumptions lower the model’s accuracy, our results showed that we can replicate behaviors close to that of much more computationally expensive 3D offline simulations that is based on the full viscosity model.

Titre traduit

Simulation détaillée et efficace de phénomènes liquides et granulaires en infographie 3D

Résumé traduit

Les simulations physiques sont souvent utilisées en infographie afin de reproduire le mouvement de matériaux complexes tels que les liquides et la neige. La résolution et la qualité visuelle de ces simulations sont généralement limitées par la mémoire vive et les temps de calcul disponibles. Dans cette thèse, nous introduisons trois approches novatrices dont l’objectif est la production de simulations visuellement détaillées qui nécessitent moins de mémoire et de temps de calcul. La première approche utilise un maillage surfacique explicite qui s’ajuste selon la surface d’une simulation de liquide par particules. Elle utilise une projection qui préserve les détails de la surface afin de prévenir un décalage entre celle-ci et les particules. De plus, nous introduisons une nouvelle opération de correction de topologie qui garantit que la topologie de la surface explicite demeure cohérente avec les particules. Cette approche rend possible la conservation de détails visuels fins sur la surface avec un nombre moindre de particules, ce qui améliore considérablement les temps de calcul. Elle a été testée avec succès sur des simulations de type smoothed-particle hydrodynamics (SPH) et fluid implicit particle (FLIP). De plus, elle peut être exécutée après que la simulation ait entièrement été exécutée, ce qui la rend idéale pour le processus de création itératif typique des studios d’effets visuels. La seconde approche vise la simulation d’une couche de neige au sol qui interagit avec des personnages et objets animés. Elle décompose le volume de neige en trois composants: la couche de base (neige intacte), la neige dynamique, et les particules plus fines de neige. Cette décomposition permet d’utiliser une représentation volumétrique pour la couche de base, ainsi qu’une simulation de fluide semi-Lagrangienne pour les particules fines. Celles-ci sont beaucoup moins gourmandes en mémoire et temps de calculs que la simulation par particules utilisée pour la neige dynamique. Lorsque les personnages interagissent avec la neige intacte, cette dernière est transférée de la couche de base vers la simulation de neige dynamique. À leur tour, les particules dynamiques projetées dans les airs ajoutent de la neige dans la simulation de neige fine. Cette décomposition permet de simuler de plus grands volumes de neige tout en concentrant la mémoire et les temps de calcul où ils sont le plus utiles. Finalement, la troisième approche simule et visualise efficacement de petits volumes de liquide en temps réel à l’aide d’une simulation 2.5D de colonnes de liquide. Elle introduit un algorithme novateur de construction de surface qui gère beaucoup mieux les surplombs et les changements topologiques, ainsi qu’un nouveau modèle de viscosité basé sur la physique qui est à la fois stable et rapide. Pour y arriver, ce modèle repose sur des hypothèses qui permettent de simplifier les équations physiques sous-jacentes. Bien que ces hypothèses diminuent la précision de ce modèle, nos résultats démontrent qu’il peut reproduire des comportements très proches de ceux obtenus à l’aide d’une simulation hors-ligne 3D plutôt que 2.5D, et utilisant le modèle complet plutôt que le modèle simplifié, ce qui nécessite beaucoup plus de temps de calculs.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 105-113).
Mots-clés libres:	infographie, 3d, simulation physique, fluides, neige, suivi de surface, temps réel, liquides peu profonds, viscosité
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Paquette, Eric
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	24 sept. 2025 18:30
Dernière modification:	24 sept. 2025 18:30
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3726

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