Enhancing realism and visual coherence in fluid simulation for computer graphics

Guzmán Cortés, Julián Edgardo (2026). Enhancing realism and visual coherence in fluid simulation for computer graphics. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Fluid simulations are widely used in a broad range of applications within computer graphics, including the entertainment industry, visual effects, interactive games, scientific visualization, and real-time medical simulation. Despite considerable advancements in existing physical models, achieving realistic simulations that combine physical realism with high-quality visual appearance remains a challenging problem. In this thesis, we make contributions toward two aspects of fluid simulation: improving the physical realism and improving the visual quality of animated fluid simulations. Toward improving the physical realism, we propose an approach that enhances the physical realism of real-time shallow water simulations. The approach builds upon the virtual pipes model and extends it using multi-layered heightmaps. It introduces the extended pipes that can resolve flows through fully flooded passages, which is not possible with existing multi-layered techniques. Two variants are proposed: axis-aligned extended pipes, which handle passages aligned with the grid, and unified extended pipes, which handle multi branch passages and allow liquid flow through passages of arbitrary orientation and shape, including around corners. By enabling reliable flow through fully flooded passages, cavities, and multi-branch structures, this approach significantly improves the physical realism of the simulation. Regarding the improvement of the visual quality, this thesis focuses on enhancing the visual richness of fluid simulations by making contributions related to texture synthesis on the animated free surfaces of fluids. Our inputs consist of a 2D exemplar, a sequence of 3D meshes (corresponding to the animated liquid) with per-vertex velocity, and a 3D orientation field on the first frame. We propose an adaptive multiresolution synthesis approach that balances fidelity to the exemplar and consistency with the fluid motion. Our approach advects the texture and the orientation field across frames, yielding a coherent sequence of textures conforming to the per-frame geometry. Adaptivity is guided by local 2D and 3D distortion measures, which determine when to resynthesize or preserve advected content. Additionally, a popping prevention mechanism is introduced to prevent sudden, drastic color changes by enforcing gradual color transitions over time. We also introduce another texture synthesis strategy: a hybrid texture synthesis method for animated fluid surfaces that combines texton-based texture synthesis with our adaptive multiresolution exemplar-based synthesis. The main textons from the input exemplar are extracted, while the remaining background areas are used to create a background exemplar. The textons are advected given the orientation field together with a process to maintain their distribution. In parallel, the background exemplar is used to synthesize the background details with adaptive multiresolution synthesis. The two textures are then merged to produce a final animated texture that preserves both the features of the exemplar and background details throughout the animation. These texture synthesis approaches perform well on both slow-moving and turbulent liquids, and across a variety of texture exemplars, significantly enhancing the visual quality of animated fluids.

Titre traduit

Augmentation du réalisme et de la cohérence visuelle pour la simulation de fluide en informatique graphique

Résumé traduit

Les simulations de fluides sont souvent utilisées dans un large éventail d’applications en informatique graphique, notamment dans les effets visuels, les jeux vidéo, la visualisation scientifique et la simulation médicale en temps réel. Malgré les avancées considérables réalisées dans les modèles physiques existants, obtenir des simulations réalistes combinant à la fois réalisme physique et haute qualité visuelle demeure un problème difficile. Dans cette thèse, nous apportons des contributions selon deux axes complémentaires de la simulation de fluides : l’amélioration du réalisme physique et l’amélioration de la qualité visuelle des simulations animées. Afin d’améliorer le réalisme physique, nous proposons une approche qui renforce le réalisme des simulations de liquides peu profonds en temps réel. Cette approche s’appuie sur le modèle des “tuyaux virtuels” (virtual pipes) et l’étend au moyen de cartes d’élévation multicouches. Elle introduit le concept de “tuyaux étendus” (extended pipe), capables de résoudre les écoulements à travers des passages entièrement inondés, ce qui n’est pas possible avec les techniques multicouches existantes. Deux variantes sont proposées : les tuyaux étendus alignés sur les axes, qui gèrent les passages alignés avec la grille, et les tuyaux étendus unifiés, qui traitent les passages à branches multiples et permettent l’écoulement du liquide à travers des passages d’orientation et de forme arbitraires, y compris autour des coins. En permettant un écoulement à travers des passages entièrement inondés, des cavités et des structures à branches multiples, cette approche améliore significativement le réalisme physique de la simulation. Concernant l’amélioration de la qualité visuelle, cette thèse se concentre sur l’enrichissement visuel des simulations de fluides en proposant des contributions relatives à la synthèse de textures à la surface de liquides animés. Nos données d’entrée comprennent une texture d’exemple, une séquence de maillages 3D (correspondant au liquide animé) avec une vitesse définie par sommet, ainsi qu’un champ d’orientation 3D initialisé à la première trame. Nous proposons une approche de synthèse adaptative multi-résolution qui équilibre la fidélité à la texture d’exemple et la cohérence avec le mouvement du fluide. Notre méthode simule le déplacement de la texture ainsi que du champ d’orientation au fil des trames, produisant une séquence cohérente de textures conformes à la géométrie de chaque trame. L’adaptativité est guidée par des mesures locales de distorsion en 2D et en 3D, qui déterminent quand il est nécessaire de resynthétiser ou de préserver le contenu résultant de la simulation du déplacement. De plus, un mécanisme de prévention du scintillement est introduit afin d’éviter des changements brusques et marqués de couleur, en imposant des transitions progressives dans le temps. Nous introduisons également une seconde stratégie de synthèse de texture : une méthode hybride pour les surfaces de liquides animés combinant une synthèse basée sur des pièces de texture avec notre synthèse adaptative multi-résolution fondée sur la texture d’exemple. Les principales pièces de texture sont extraites de la texture d’exemple d’entrée, tandis que les zones de fond restantes servent à créer une texture d’exemple de fond. Les pièces de textures sont déplacées par simulation selon le champ d’orientation, conjointement à un processus visant à maintenir leur distribution. En parallèle, la texture d’exemple de fond est utilisée pour synthétiser les détails d’arrière-plan à l’aide de la synthèse adaptative multi-résolution. Les deux textures sont ensuite fusionnées afin de produire une texture animée finale qui préserve les caractéristiques distinctives de la texture d’exemple tout au long de l’animation. Ces approches de synthèse de textures donnent de bons résultats aussi bien pour des liquides à écoulement lent que pour des écoulements turbulents, et pour une variété de textures d’exemple, améliorant significativement la qualité visuelle des liquides animés.

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 91-96).
Mots-clés libres:	simulation de fluides, simulation en temps réel, tuyaux virtuels, synthèse de textures, informatique graphique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Paquette, Eric
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	05 juill. 2026 16:30
Dernière modification:	14 juill. 2026 14:33
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3962

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