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ÉVALUATION SECONDE PHYSIQUE CHIMIE LE SPORT correction
mouvement est rectiligne accéléré donc les forces ne se compensent pas. Entre les points G5 et G10 le mouvement est rectiligne uniforme donc les forces qui s ...
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Mouvement et forces poids / Physique-Chimie Seconde. Exercice 1. Voici une 1/ Quelle force permet l'ascension du ballon (cette force sera ensuite appelée ⃗) ...
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1) Cette force est-elle : attractive ou répulsive ? A distance ou de contact ? 2) En utilisant la formule donnée calcule la force gravitationnelle exercée par
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gymnaste en terme de forces. Le gymnaste est en équilibre (mouvement rectiligne uniforme de vitesse nulle) donc les forces qui s'exercent sur lui se compen-.
CHAPITRE I : FORCES ET MOUVEMENTS
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SECONDE 5
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DEVOIR SURVEILLE - SCIENCES PHYSIQUES
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INSA Lyon
Ecole Doctorale N° 512
Ecole doctorale InfoMaths
Spécialité/ discipline de doctorat :
Informatique
Soutenue publiquement le 05/07/2019, par :
Samuel Carensac
Contrôle physique de mouvement de
personnages virtuels en environnement complexeDevant le jury composé de :
MULTON, Franck Professeur des Universités Université Rennes 2 Rapporteur REVERET, Lionel Chargé de Recherche HDR INRIA Rhône-Alpes Rapporteur CANI, Marie-Paule Professeure des Universités Ecole Polytechnique Examinateur GIBET, Sylvie Professeure des Universités Université de Bretagne Sud Examinateur BASKURT, Atilla Professeur des Universités INSA-LYON Directeur de thèse BOUAKAZ, Saïda Professeure des Universités Université Claude Bernard Lyon 1 Co- directrice de thèse PRONOST, Nicolas Maître de Conférence Université Claude Bernard Lyon 1 Co-encadrant de thèseUNIVERSITÉ
~ FHPPH POqVH HVP MŃŃHVVLNOH j O MGUHVVH OPPSCCPOHVHVBLQVMO\RQBIUCSXNOLŃMPLRQC201EIK6(H037CPOHVHBSGI L6B FMUHQVMŃ@ L201E@ H16$ I\RQ PRXV GURLPV UpVHUYpVFHPPH POqVH HVP MŃŃHVVLNOH j O
MGUHVVH OPPSCCPOHVHVBLQVMO\RQBIUCSXNOLŃMPLRQC201EIK6(H037CPOHVHBSGI L6B FMUHQVMŃ@ L201E@ H16$ I\RQ PRXV GURLPV UpVHUYpV Département FEDORA - INSA Lyon - Ecoles Doctorales - Quinquennal 2016-2020NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE
CHIMIE CHIMIE DE LYON
http://www.edchimie-lyon.frSec. : Renée EL MELHEM
Bât.
Blaise PASCAL, 3e étage
secretariat@edchimie-lyon.frINSA : R. GOURDONM. Stéphane DANIELE
In stitut de recherches sur la catalyse et l"environnement de LyonIRCELYON-UMR 5256
Équipe CDFA
2 Avenue Albert EINSTEIN
69 626 Villeurbanne CEDEX
directeur@edchimie-lyon.frÉLECTRONIQUE, ÉLECTROTECHNIQUE,
AUTOMATIQUE
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ecole-doctorale.eea@ec-lyon.frM. Gérard SCORLETTI c ole Centrale de Lyon 36Avenue Guy DE COLLONGUE
69 134 Écully
Tél : 04.72.18.60.97 Fax 04.78.43.37.17
gerard.scorletti@ec-lyon.fr ÉVOLUTION, ÉCOSYSTÈME, MICROBIOLOGIE, MODÉLISATION http://e2m2.universite-lyon.frSec. : Sylvie ROBERJOT
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Tél : 04.72.44.83.62
INSA : H. CHARLES
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43, boulevard du 11 Novembre 1918
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philippe.normand@univ-lyon1.frINTERDISCIPLINAIRE
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GÉNIE CIVIL, ACOUSTIQUE
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jocelyn.bonjour@insa-lyon.fr ScSo* http://ed483.univ-lyon2.frSec. : Véronique GUICHARD
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veronique.cervantes@univ-lyon2.frM. Christian MONTES U n iversité Lyon 2 86Rue Pasteur
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christian.montes@univ-lyon2.fr*ScSo : Histoire, Géographie, Aménagement, Urbanisme, Archéologie, Science politique, Sociologie, Anthropologie
1--FHPPH POqVH HVP MŃŃHVVLNOH j O
MGUHVVH OPPSCCPOHVHVBLQVMO\RQBIUCSXNOLŃMPLRQC201EIK6(H037CPOHVHBSGI L6B FMUHQVMŃ@ L201E@ H16$ I\RQ PRXV GURLPV UpVHUYpVRésuméCette thèse traite de l"animation de personnages virtuels composés de corps rigides reliés
par des articulations et contrôlés par des interactions physiques (forces et moments). Le contrôleur est le système qui calcule dynamiquement ces interactions. Notre objectif est d"étudier et de réaliser un contrôleur pour la simulation de mouvements d"un personnage en interaction avec un fluide. La complexité du comportement de tels milieux ne permet pas de prédire les interactionsentre le personnage et le fluide. Il en découle que le contrôleur proposé doit être capable
de réagir à celles-ci. Nous avons focalisé nos travaux sur la conception d"un contrôleur de
type SIMBICON capable de s"adapter aux perturbations apportées par la présence d"un fluide simulé physiquement. Ce choix est motivé par notre contrôleur précédent qui proposaitun contrôleur en interaction avec un fluide représenté à travers l"utilisation de formule de
dynamique des fluides simples. L"utilisation d"une véritable simulation physique du fluide nous permettrait d"améliorer le réalisme physique de la simulation en prenant en compte l"impact du déplacement du personnage sur le fluide. Ayant pour objectif un contrôleur interactif nous nous sommes focalisés sur deux axes principaux. Le premier est la conception d"un contrôleur capable de supporter des fréquences de simulation faibles tout en conservant la vitesse de calcul apporté par l"utilisation du modèle SIMBICON. Nous proposons de réduire les instabilités introduites par l"utilisation de fréquences de simulation faibles par un système de feedback utilisant une optimisationen ligne permettant d"obtenir une meilleure stabilité des contacts. Ce système, associé à
une étude des paramètres du système en fonction de la fréquence de simulation, nous a permis de proposer un contrôleur capable de supporter des fréquences de simulation allantjusqu"à 225Hz. Le second axe de recherche visait à proposer une implémentation entièrement
GPU et interactive d"une simulation lagrangienne de fluide. Nous avons étudié l"impact sur les performances de notre implémentation GPU de plusieurs optimisations proposé par des travaux proposant des implémentations parallèles CPU. Nous proposons également une solution permettant de déplacer la zone de fluide simulé en cours de simulation pour limiter l"espace de simulation du fluide à la proximité immédiate du personnage au cours de son déplacement pour assurer une simulation du fluide en temps interactif. ivFHPPH POqVH HVP MŃŃHVVLNOH j O
MGUHVVH OPPSCCPOHVHVBLQVMO\RQBIUCSXNOLŃMPLRQC201EIK6(H037CPOHVHBSGI L6B FMUHQVMŃ@ L201E@ H16$ I\RQ PRXV GURLPV UpVHUYpVAbstractThis thesis deals with the animation of virtual characters composed of rigid bodies linked by
joints and controlled by physic interactions (forces and torques). The controller is the system that dynamically calculates these interactions. Our goal is to study and create a controller that is able to control the character interacting with a fluid. The complexity of the behavior of such environment renders predicting the interactions between the fluid and the character impossible. Therefore, the controller must be able to react to such interactions. We have focused our works on the conception of a SIMBICON typed controller that is able to handle the perturbations caused by the physically simulated fluid. This choice is motivated by our previous controller that was able to handle the interactions with a simplified fluid based on simplified fluid dynamics equations. The use of the complete fluid dynamic equations should allow for a higher realism by taking into account to impact of the character motion on the fluid. Since our objective is to obtain an interactive controller, we focus our works on two main axes. The first one is the conception of a controller able to handle low simulation frequencies while keeping the high computation speed brought by the use of the SIMBICON framework. We propose to use a feedback system using an online optimization to reduce the instabilities caused by the of the low simulation frequencies. On top of this system, we study the evolution of the value of the PD-controllers depending on the simulation frequency to be able to propose a controller able to handle simulation frequencies as low as 225Hz. The second research axis aims to conceive a fully GPU implementation of a Lagrangian fluid simulation. We study the impact of various optimization proposed by previous work on our GPU implementation. We also present a system allowing us to move the simulation area of the fluid to be able to keep the character centered in the fluid simulation. This system allows us to only use a small area for the fluid simulation allowing us to propose a system showing interactive execution times.vFHPPH POqVH HVP MŃŃHVVLNOH j O
MGUHVVH OPPSCCPOHVHVBLQVMO\RQBIUCSXNOLŃMPLRQC201EIK6(H037CPOHVHBSGI L6B FMUHQVMŃ@ L201E@ H16$ I\RQ PRXV GURLPV UpVHUYpVFHPPH POqVH HVP MŃŃHVVLNOH j O
MGUHVVH OPPSCCPOHVHVBLQVMO\RQBIUCSXNOLŃMPLRQC201EIK6(H037CPOHVHBSGI L6B FMUHQVMŃ@ L201E@ H16$ I\RQ PRXV GURLPV UpVHUYpVTable des matières
1 Introduction
12 État de l"art : Contrôle de personnages virtuels simulés
72.1 Simulation physique de corps rigides
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2 Contrôle basé sur la physique de personnages virtuels. . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Types de contrôleur basé sur la physique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4 SIMBICON et extensions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.5 Contrôle de personnage virtuel à basse fréquence. . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.6 Bilan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3 État de l"art : Simulation de fluide29
3.1 Modèles de uide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2 Smoothed Particles Hydrodynamics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3 SPH sur le GPU. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4 Bilan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4 Contrôle à basse fréquence dans l"espace des articulations41
4.1 Vue d"ensemble. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2 Contrôle de la vitesse et de la direction du mouvement. . . . . . . . . . . . . 42
4.3 Contrôle à basse fréquence. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.4 Résultats. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.5 Bilan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5 Simulation lagrangienne de fluide sur GPU77
5.1 Algorithme DFSPH. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2 Structure de données. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3 DFSPH sur GPU. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.4 Fenêtre dynamique de simulation pour uide lagrangien. . . . . . . . . . . . 91
5.5 Expérimentations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.6 Discussions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.7 Bilan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6 Simulation de personnage en interaction avec un fluide117
6.1 Estimation du uide par modèle simplié. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.2 Simulation de uide lagrangienne en interaction avec des objets. . . . . . . . 119
6.3 Résultats. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.4 Limitations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.5 Bilan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
7 Conclusion143
Bibliographie148vii
FHPPH POqVH HVP MŃŃHVVLNOH j O
MGUHVVH OPPSCCPOHVHVBLQVMO\RQBIUCSXNOLŃMPLRQC201EIK6(H037CPOHVHBSGI L6B FMUHQVMŃ@ L201E@ H16$ I\RQ PRXV GURLPV UpVHUYpVA Comparaison forces pour une jambe simulée157
viiiFHPPH POqVH HVP MŃŃHVVLNOH j O
MGUHVVH OPPSCCPOHVHVBLQVMO\RQBIUCSXNOLŃMPLRQC201EIK6(H037CPOHVHBSGI L6B FMUHQVMŃ@ L201E@ H16$ I\RQ PRXV GURLPV UpVHUYpV 1IntroductionL"animation de personnages virtuels est un domaine qui est de nos jours au centre de deux
industries importantes : l"industrie vidéoludique et l"industrie cinématographique. La qualité
d"une animation est très souvent étroitement jugée au vu de son réalisme. Ce critère est
capital pour la réalisation de films où les animations sont intégrées dans des scènes en partie
filmées dans un décor réel en particulier lorsque les personnages animés sont des personnages
humains. En effet, lorsqu"il est question de projet animé par ordinateur, un manque deréalisme dans le mouvement des personnages ou leurs expressions est très souvent à l"origine
de critiques des spectateurs (ex : Berserk 2016). À l"inverse, une animation réaliste permetd"intégrer des personnages irréels avec des acteurs filmés par des caméras sans nuire à son
appréciation par les spectateurs comme le montre le succès des nombres films récents de super héros.Les méthodes d"animation peuvent être classées selon deux approches : l"animation cinéma-
tique et l"animation basée sur la physique. L"animation cinématique est l"approche la plusrépandue. Le personnage est généralement représenté par des parties rigides reliées entre
elles par des articulations permettant un à trois degrés de liberté en rotation. Les approches
cinématiques consistent à modifier les orientations et les positions des articulations et des parties rigides au cours du temps pour modifier la pose du personnage. Il existe plusieurs approches possibles pour obtenir les poses successives du personnage. La création de ces poses à la main par un animateur permet d"obtenir un haut niveau de fidélité au mouvementvoulu mais rend difficile la création de mouvements réalistes. À l"inverse, l"utilisation de
systèmes de capture de mouvements sur des acteurs permet d"assurer un haut niveau de réalisme mais limite les animations possibles aux capacités de l"acteur. La limitation majeurede l"animation cinématique est que chaque animation est spécifique à un scénario précis
(vitesse de déplacement, présence d"obstacles, ...). Un exemple simple est d"imaginer une ani-mation où un objet entre en collision avec le personnage. Si la vitesse de l"objet et l"endroit de
l"impact avec le personnage ne correspondent pas à ceux prévus par l"animateur, l"animation obtenue perdra de son réalisme physique. Si cette limitation peut être considérée commenégligeable pour la création de film car les animations sont créées pour des scènes spécifiques,
ce n"est pas le cas dans l"industrie vidéoludique. Pour la création de contenu interactif, si le monde dans lequel se meut le personnage propose un nombre élevé d"éléments dont le comportement n"est pas connu à l"avance pouvant interagir avec ce personnage, l"approchebasée sur la cinématique est limitée. En effet, si l"on veut pouvoir traiter des millions de
situations possibles, il serait nécessaire de créer les millions d"animations pour gérer chaque
interaction possible. Il est possible de modifier dynamiquement l"animation du personnage pour assurer que certaines règles plus ou moins complexes soient respectées ([Van+10
par exemple modifier l"angle des genoux pour que les pieds touchent correctement le sol.Cependant, il est impossible de prévoir toutes les règles nécessaires pour permettre au person-
nage d"interagir avec tous les éléments qui possèdent un comportement non connu à l"avance
présents dans un monde virtuel complexe. La seconde approche, l"animation basée sur la physique, offre une solution à la gestion des interactions avec l"environnement. Pour ce secondtype d"animation, le personnage est physiquement simulé à l"intérieur du monde virtuel et est
animé par les lois de la physique par l"intermédiaire d"un moteur physique. Les parties rigides1
FHPPH POqVH HVP MŃŃHVVLNOH j O
MGUHVVH OPPSCCPOHVHVBLQVMO\RQBIUCSXNOLŃMPLRQC201EIK6(H037CPOHVHBSGI L6B FMUHQVMŃ@ L201E@ H16$ I\RQ PRXV GURLPV UpVHUYpV du personnage deviennent des objets physiques pouvant entrer en collision avec les éléments de son environnement. La création de l'animation se fait par l'application d'interactions physiques (forces et moments), que l'on appelle actionneurs, sur les différentes parties du personnage. Cette approche possède deux avantages. Le premier est que, la modicationde la pose du personnage étant faite par l'application de phénomènes physiques, le résultat
assure forcément un niveau de réalisme physique parfait en vue des lois physiques utilisées.
Le second avantage provient de l'intégration du personnage et d'un monde virtuel dans unesimulation unique ce qui permet aux éléments du monde virtuel d'avoir un impact réaliste sur
le personnage. Si nous reprenons l'exemple de la collision entre un objet et un personnage, une modication de l'endroit de l'impact induira différentes forces sur le personnage ce quigénérera un nouveau mouvement sans spécier des données d'entrée supplémentaires. Dans
l'animation basée sur la physique, les interactions entre le personnage et le monde virtuel sont"innées". Cependant, l'intégration innée des interactions avec le monde virtuel est associée à
un coût élevé : le contrôle du personnage est très complexe et doit être réalisé en parallèle
de la simulation. Il est irréaliste d'espérer pouvoir spécier les moments à appliquer pour
toutes les congurations possibles (cela reviendrait aux mêmes limitations que l'animationcinématique). Pour déterminer les actionneurs à appliquer à chaque instant, il est nécessaire
d'utiliser un contrôleur. Le contrôleur répertorie des règles qui calculent les actionneurs à
appliquer sur les membres et articulations du personnage en fonction de l'état du personnageet du reste de la simulation. Créer un tel contrôleur est une tâche complexe du fait du grand
nombre d'actionneurs nécessaires à chaque pas de temps. Suivant le nombre d'articulationsprésentes dans le modèle du personnage animé, le contrôleur peut être amené à calculer
plus de 15 moments pour chaque pas de simulation. De plus, le moment appliqué sur une articulation peut avoir un impact sur le moment nécessaire pour d'autres articulations. Par exemple, un moment appliqué dans une articulation du dos du personnage aura une inuence sur l'orientation de la tête du personnage et devra donc être pris en compte lors du calculdu moment à appliquer sur le cou du personnage. Ce phénomène associé à la complexité de
la simulation physique du monde virtuel, rend difcile l'obtention de moments permettant d'obtenir exactement le résultat désiré avant leur application dans la simulation physique.Malgré le niveau de complexité élevé, le réalisme physique de ce type d'animation permet son
utilisation pour de nouvelles tâches. En particulier l'intégration innée des interactions avec
les éléments du monde virtuel rend l'animation basée sur la physique attractive pour toute animation ou le personnage doit manipuler des objets du monde virtuel. Ce type d'animationpeut également être utilisé pour contrôler un objet présent dans le monde réel, par exemple
pour animer un robot. De plus, l'animation basée sur la physique ouvre de nouvelles possibili- tés d'animation réaliste lorsque le personnage interagit avec des milieux complexes tels que des uides ou des corps mous. De tels milieux sont hautement dynamiques et, par conséquent,sont difciles voire impossibles à gérer avec une approche cinématique si le réalisme physique
est un critère requis. Jusqu'à présent, le contrôle d'un personnage prenant en compte ces
interactions complexes n'a que très peu été étudié. Les travaux considérant un personnage
en interaction avec un uide tentent généralement de simuler des mouvements de nage et rarement un déplacement bipède. La différence majeure entre ces deux cas d'application est que lors de la simulation d'un mouvement de nage le personnage est entièrement supporté par le uide et les forces du uide sont réparties sur la totalité des membres du personnage. Dans ce cas d'application, le moteur physique ne fait qu'appliquer les valeurs des actionneurssur les parties du personnage. À l'opposé, dans un déplacement bipède le personnage est en
support sur le sol. Par conséquent, en plus de devoir appliquer les valeurs des actionneurs, le moteur physique doit déterminer les points d'intersection entre les pieds du personnage et lesol pour calculer les forces à appliquer sur les pieds de manière à empêcher les intersection
entre les pieds et le sol ce qui augmente la complexité des calculs nécessaires. 2 Chapitre 1IntroductionFHPPH POqVH HVP MŃŃHVVLNOH j O MGUHVVH OPPSCCPOHVHVBLQVMO\RQBIUCSXNOLŃMPLRQC201EIK6(H037CPOHVHBSGI L6B FMUHQVMŃ@ L201E@ H16$ I\RQ PRXV GURLPV UpVHUYpVCette thèse s'intéresse au contrôle d'un personnage en interaction avec un uide. Par consé-
quent, nous nous sommes non seulement intéressés au domaine de l'animation de person- nages, mais également à celui de l'animation de uides. Similairement à un personnage, l'animation d'un uide peut être obtenue avec une approche cinématique ou bien par simu-lation. L'approche cinématique est celle généralement utilisée pour des volumes de liquide
importants quand le contenu doit être interactif, particulièrement dans l'industrie vidéolu-
dique. Dans cette approche, le uide est simplement représenté par sa surface, généralement
par un champ de hauteur qui évolue au cours du temps. L'évolution des hauteurs pour être spéciée manuellement par un artiste ou bien être contrôle par une méthode d'animation procédurale. Bien que pratique pour représenter le mouvement de vagues dans des océans, le manque de réalisme de l'animation obtenue devient vite apparent pour des volumes de uide plus faibles ou si le uide est en contact avec des objets solides. L'animation de rivières parcette méthode produit généralement des animations où les turbulences dues aux interactions
entre l'eau et les différents obstacles ne sont pas présentes. Pour obtenir une animation dehaute qualité, il est préférable d'utiliser une approche basée sur la simulation. L'une des
possibilités pour prendre en compte les propriétés physiques d'un uide est de se baser surles équations de Navier-Stokes. La propriété principale que les simulations de uides visent à
respecter est l'incompressibilité du uide de manière à ce que le volume de uide présent dans
la simulation reste constant. La littérature propose deux représentations majeures utilisées
pour simuler un uide suivant si la représentation du uide est xée à l'espace de simulation ou au uide simulé : la représentation eulérienne et la représentation lagrangienne ([ TY09La représentation eulérienne se focalise à l'espace de simulation. Elle représente l'espace à
simuler par une structure, généralement une grille, et déplace le volume de uide à l'intérieur.
À l'inverse, l'approche lagrangienne représente directement le uide à simuler. Elle discrétise
le uide sous forme d'un ensemble de particules permettant ainsi d'être indépendant de l'espace dans lequel le uide est simulé. La représentation eulérienne permet d'obtenir unemeilleure qualité d'animation. Cependant, la représentation lagrangienne nécessite des temps
d'exécution généralement bien moins importants permettant même la création de contenus
interactifs tant que le nombre de particules simulées reste relativement faible (inférieur à
100000 particules).
Cette thèse fait suite aux travaux réalisés précédemment dans le cadre d'un master recherche.
Ces travaux ont abouti en la conception d'un contrôleur capable de prendre en compte la présence d'un liquide à travers lequel le personnage se déplace [quotesdbs_dbs50.pdfusesText_50[PDF] controle physique seconde refraction
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