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L’Art de la simulation particulaire (partie 1)

Ou comment jouer au magicien numérique ! Quel rapport entre une armée de zombies en plan large, une tornade du jour d’après ou encore .. : La simulation particulaire. La simulation particulaire au sens large est définie par le résultat dans l’espace de l’évolution d’un ensemble de points repérés par les 3 coordonnées spatiales et le temps.

simulation1

Cette simulation particulaire peut prendre la forme de simulation de particules ou de fluides selon l’algorithme utilisé et la définition donnée par l’éditeur du soft de calcul. Cette simulation particulaire, particules ou fluides, se construit à partir d’algorithmes de calcul pouvant être assez éloignés de la réalité physique ou à l’inverse assez proche des équations de la physique. Par exemple la simulation des fluides de Maya a été une des premières à prendre en compte comme base de calcul les équation de Navier-Stockes régissant la cinématique des gaz parfaits.

Esthétique, vraisemblable et réalité physique

Est-il nécessaire aujourd’hui dans le cinéma aux effets spéciaux, d’avoir des systèmes complexes simulant au plus proche la réalité physique des phénomènes montrés comme une tempête de neige, une tornade,… Dans tous les cas, et en dernier recours, la part visuel de la simulation emportera le dernier mot en obligeant la simulation à se plier à des exigences qui combineront plutôt l’esthétique du directeur artistique et la vraisemblance de l’effet qui peut être des fois très loin de la réalité de ce même effet.

© Transit Film
© Transit Film

Au cinéma, le spectateur a dû s’adapter à l’évolution progressive des visuels montrés. Il a dû accepter l’évolution du vraisemblable dans les récits filmés. L’exemple classique est, dans un film d’action, une scène ou une voiture percute un obstacle à pleine vitesse et explose quasi totalement dans un brasier de flammes et de fumées. Dans la réalité, une voiture sur un mur s’écrase sans donner lieu à des explosions fantasmagoriques. Mais ne pas mettre d’explosion dans ce type de film ferait perdre de la vraisemblance aux yeux du spectateur. Le visuel cinématographique fonctionne avec ses propres codes de vraisemblance et les effets spéciaux sont là pour aider et renforcer certains de ces codes.

Les solutions proposées

Plusieurs softs de 3D se partagent la réalisation de simulation de particules/fluides, comme Maya, Houdini et Realflow, mais aussi des plugins de logiciels 3D comme ThinkParticles ou FumeFX.

2 grands algorithmes sont utilisés comme dans la solution de la cinématique des Rigid Bodies :

La simulation par cinématique libre : SCL

Cette solution SCL est proposée dans des logiciels comme Maya avec son système de simulation particulaire rapide à mettre en œuvre. Ce système donnera principalement les paramètres de géométries des particules : position, rotation, vitesse,…. L’infographiste pourra ensuite « imaginer » et calculer à partir des caractéristiques de base les paramètres visuels de densité, opacité, dispersion, dissipation,… L’infographiste de simulation devra s’appuyer sur des connaissances de Rendu 3D particulaires pour obtenir le visuel recherché. Des moteurs de Rendu 3D spécialisés dans le rendu particulaires donnent la possibilité avec une même simulation de passer d’un état visuel gazeux à granuleux, voir volumétrique plein. Krakatoa de l’éditeur Thinkbox travaille dans ce sens et à une large palette de rendu 3D.

© FXGear Flux 2014
© FXGear Flux 2014

La simulation par Calcul d’Eléments Finis : CEFS

La méthode de simulation CEFS ou en anglais FEA ( Finite Elements Analysis ) est utilisée par les fluides de Maya, Houdini, Hybrido2 de Relflow, ou encore FumeFX. Ce type de simulation est basé sur le calcul des éléments finis. Cette méthode utilise un algorithme de calcul qui découpe l’espace en petits cubes ( ou voxels ), chaque cubes contenant une informations physiques : densité, vitesse, température,…. Pendant la durée de la simulation, les différentes parties maillées s’échangent des informations et interagissent entre eux : C’est le principe de base du calcul aux éléments finis. Et bien entendu, la précision du maillage qui découpe l’espace en simulation est primordiale pour un calcul optimal.


Ce principe de calcul permet de simuler par exemple le passage d’un état gazeux à liquide de manière assez souple dans le temps. Nous verrons dans la 2ieme partie les méthodologies et pipelines de production à mettre en œuvre pour l’infographiste FX selon les types de simulations et logiciels utilisés.

Houdini : https://www.sidefx.com/
Dynamica : http://code.google.com/p/bullet/ et https://code.google.com/p/dynamica/
Realflow : http://www.realflow.com/
Krakatoa : http://www.thinkboxsoftware.com/krakatoa-in-production/
FumeFX : http://www.afterworks.com/FumeFX_Maya/Simulation.asp?ID=4
ThinkingParticles : http://www.cebas.com/index.php?pid=product&prd_id=166&feature=1359
MPC: http://www.moving-picture.com/
ILM : http://www.ilm.com/
WETA : http://www.wetafx.co.nz/

Catégorie : Logiciels & TechniquesSecteur 3D

One comment

  1. Très bon travail.
    Toujours à l’attente de la 2ieme partie sur les méthodologies et pipelines de production à mettre en œuvre pour l’infographiste FX selon les types de simulations et logiciels utilisés.

    Je suis étudiant en master VFX et je trouve ce blog vraiment intéressant.

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