Grenoble Alpes

155 Pages·2016·18.12 MB·English

Communauté
Grenoble Alpes
UNIVERSITÉ
THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE LA COMMUNAUTÉ
UNIVERSITÉ GRENOBLE ALPES
Spécialité : Mathématiques - Informatique
Arrêté ministériel du 7 août 2006
Présentée par
Ulysse VIMONT
Thèse dirigée par Marie-Paule CANI et
co-encadrée par Damien ROHMER
préparée au sein du Laboratoire Jean Kunzmann
dans l’École Doctorale MSTII
Nouvelles Méthodes pour la
Modélisation Interactive
d’Objets Complexes
et d’Animations
Thèse soutenue publiquement le 1er décembre 2016,
devant le jury composé de :
Mme. Joëlle THOLLOT
Professeur, Grenoble INP, Présidente
M. Tamy BOUBEKEUR
Professeur, Telecom ParisTech, Rapporteur
M. Loïc BARTHE
Professeur, Université Paul Sabatier, Rapporteur
M. Michael WIMMER
Professeur Associé, Technische Universität Wien, Examinateur
Mme. Marie-Paule CANI
Professeur, Grenoble INP & Ensimag, Directeur de thèse
M. Damien ROHMER
Maître de Conférence, CPE Lyon, Co-encadrant de thèse

À ma famille, présente et future.
Abstract
As virtual content continually grows in quantity and quality, new challenges arise.
Amongst others, generating and manipulating 3D shapes and animations have become
intricate tasks. State of the art methods attempt to hide this complexity through complex
tools, which exploit content semantics for running optimization procedures, yielding
constraint matching outputs. However, the control offered by such methods is often
indirect, object-specific, and heavy, which imposes long trial-and-error cycles and restrains
artistic freedom.
The focus of this thesis is twofolds: First, improving user control through interactive
and direct content manipulation; Second, enlarging the spectrum of manipulable content
with innovative or generic content representations.
We introduce three new mehods related to 3D shapes design: A part-based modeling
tool allowing to generate assembly shapes with semantic adjacency constraints; A painting
tool for distributing objects in a 3D scene; And a grammar-based hierarchical deformation
paradigm, enabling the interactive deformation of complex models. We also propose two
methods related to the design of animated contents: A vectorial editing tool to synthesize
consistent waterfall scenes; And finally a sculpting method enabling to design new liquid
animation from examples.
iv
Résumé
L’accroissement de la demande en contenu virtuel, tant en termes qualitatifs que
quantitatifs, révèle de nouveaux défis scientifiques. Par exemple, la génération et la
manipulation de formes 3D et d’animation sont particulièrement difficiles. Les méthodes
modernes contournent ces difficultés en proposant des approches basées sur des algorithmes
d’optimisation. Ces derniers utilisent des connaissances a priori sur les données à manipuler
afin de générer de nouvelles données satisfaisant des contraintes dictées par l’utilisateur.
De tels outils présentent le désaventage d’être indirects, couteux, et non génériques, ce qui
limite la liberté artistique de l’utilisateur en le contraignant à de nombreux essais.
Les objectifs de cette thèse sont pluriels. D’une part, elle vise à améliorer le contrôle
de l’utilisateur en proposant des méthodes de manipulation interactives et directes. D’une
autre, elle cherche à rendre ces méthodes capables de manipuler des contenus plus variés
en proposant des outils novateurs et génériques.
Plus précisément, cette thèse introduis trois méthodes de modélisation d’objets 3D. La
première est une méthode basée exemple de génération d’objets composites caractérisés par
l’adjacence de leurs sous-parties. La seconde propose une interface de types “peinture” pour
décrire les distributions d’objets dans une scène 3D. La troisième étend le princides des
grammaires génératives à la déformation d’objets hiérarchiques. Nous proposons également
deux méthodes de modélisation d’animation. La première offre de modéliser des scènes
natuelles de cascades grâce à des controlleurs vectoriels. La seconde permet de sculpter une
animation de liquide en manipulant directement ses éléments spatio-temporels saillants.
v
vi
Remerciements
Je remercie mes encadrants Marie-Paule et Damien, qui m’ont aidé dans la tâche
difficile de réaliser cette thèse.
Je remercie également tout mes collaborateurs : Arnaud, Pierre-Luc, Han, Sylvain,
Antoine, Niloy, Bedrich, Stefanie, Pierre, Michael, et Chris.
Je remercie tout ceux qui m’ont cotoyé pendant cette thèse, à l’Inria et ailleurs, ceux
avec qui j’ai partagé mes journée be travail et souvent beaucoup plus : Guillaume, Léo,
Thomas, Thomas, Aarohi, Adela, Matthieu, Quentin, Kevin, Armelle, Estelle, Laura, Even,
Pablo, Gregoire, Robin, Camille, Tibor, Romain, Romain, Catherine, Sanie, Florence,
Laurent, Harold, Vincent, Cedric, Moreno, Lucian, Richard, Vineet, Ali, Remi, James,
Rémi, Rémi, François, Jean-Claude, Olivier, et encore beaucoup d’autres que j’oublie (ne
le prenez pas mal).
Je remercie toutes les personnes avec qui j’ai partagé des moments en dehors de la thèse,
colocs, voilocs et amis : Benoît, Vanessa, Hélène, Anaïs, Clement, Lydia, Nacho, Céline,
Lucie, Marion, Loïc, Antoine, Ninon, Olivier, Seb, Guillaume, Guillaume, Cyrielle, Lorie,
Pauline, Frank, Cassandre, Rebecca, John, Robin, Lorena, Marc, Gabi, Steff, Christophe,
Thibaud, Agathe, David, Jerôme, Lorène, et encore une fois j’en oublie la moitié.
Enfin, je remercie ma famille pour son soutient constant et indéfectible, et Sandra pour
absolument tout.
vii
Contents
1 Introduction and Motivations 1
1.1 What is virtual content? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.1 Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 Data representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.3 Creation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Why is 3D shape creation a hard task? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.1 Size of virtual objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.2 Shape space versus mesh space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.3 Path in the mesh space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 The case of animation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.1 Frame-based parameter interpolation . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.2 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4 Overview of this thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.1 Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.2 Publications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4.3 Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4.4 Video . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 Previous work 11
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2 Static Objects Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.1 Procedural modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.2 Inverse procedural modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.3 Sketch-based modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.4 Example-based modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.5 Limitations of generation methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3 Static Objects Deformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.1 Low-level deformation methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.2 Structure-aware shape deformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.3 Sketch-based deformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.4 Limitations of deformation methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4 Animation Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4.1 Fluid animation modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4.2 Fluid animation control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
viii
CONTENTS
3 Design of Static Objects 31
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.1.1 Complex object framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.1.2 Coherency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1.3 Example-based modeling of complex objects . . . . . . . . . . . . . 35
3.2 Part-Based Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.2 Overview of the solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.3 Main contribution: Geometrical Sub-Object Deformation . . . . . . 42
3.2.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3 Worldbrush . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.1 Vectorial analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.2 World painting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.3 Main contribution: RDF Interpolation . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.3.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.4 Deformation Grammars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.4.2 Deformation Grammars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.4.3 Bilateral Grammar Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.4.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.4.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.5.1 Controllability versus complexity trade-off . . . . . . . . . . . . . . 75
3.5.2 Smart tools versus smart shapes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4 Design of Animation 77
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.1.1 Temporality of animations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.1.2 Preservative structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.2 Waterfall scenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2.2 Overall system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.3 Main contribution: waterfall classification . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.2.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.3 Fluid Sculpting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.3.2 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.3.3 Feature extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.3.4 Feature representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.3.5 Sculpting Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.3.6 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.3.7 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.3.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
ix
CONTENTS
5 Conclusion 119
5.1 Summary of this thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.2 Future work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.2.1 Continuous deformations as an animation . . . . . . . . . . . . . . 120
5.2.2 Deformation diffusion using preservative structures . . . . . . . . . 121
5.2.3 Deformation of preservative structures . . . . . . . . . . . . . . . . 121
A Bibliography 123
B List of Figures 141
C List of Tables 143
D List of Algorithms 144
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