Ce mémoire présente une nouvelle méthode pour simuler de l'air en interaction avec des solides en se basant sur le modèle particulaire Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Après avoir rappelé les bases de SPH ainsi que ses variantes incompressibles WCSPH et PCISPH pour simuler de l'eau, nous présentons un modèle de simulation d'air réaliste permettant de simuler des effets aérodynamiques. Par exemple nous arrivons à faire léviter une balle dans un flux d'air grâce à une gestion des interactions air-solide dans les deux sens. Nous proposons aussi une initialisation simple et rapide pour échantillonner rapidement l'air avec des particules SPH tout en prenant en compte les objets solides de la scène 3D. La technique consiste à échantillonner le domaine en se basant sur une grille uniforme puis à abaisser progressivement la densité cible appellé aussi densité au repos poussant les particules d'air à occuper tout l'espace de la simulation. Cette diminution s'arrête lorsque la densité cible vaut la densité moyenne des particules, c'est-à-dire la somme des densités des particules divisée par le nombre total de particules de fluides. Les résultats obtenus ont été comparés avec des expériences réelles dans le but de valider notre modèle.

La simulation de fluide fait l’objet de recherches actives en infographie. Largement utilisée dans le domaine des jeux vidéos ou de l’animation, elle permet de simuler le comportement des liquides, des gaz et autres phénomènes pouvant être apparentés à un fluide. Pour cela, la simulation de fluide dispose d’outils de calcul numériques adaptés, permettant de produire des animations visuellement réalistes pour un temps de calcul raisonnable. Ce mémoire décrit les deux principales approches utilisées en simulation de fluide : l’approche eulérienne et l’approche lagrangienne, ainsi que certains outils numériques associés, que sont les différences finies et les fonctions de lissage. Chaque approche et chaque outil numérique possède ses avantages et ses inconvénients. Les noyaux constants par morceaux constituent un nouvel outil de calcul numérique et ouvrent de nouvelles possibilités à la simulation de fluide. Ils seront étudiés en détails puis intégrés dans une simulation de fluide eulérienne. L’atout notable qu’apportent les noyaux constants par morceaux est la possibilité d’augmenter la précision des calculs là où cela est jugé nécessaire dans la simulation. En augmentant la précision des calculs aux endroits clés, où sont susceptibles d’apparaitre des effets visuellement attrayants comme les tourbillons ou les remous, nous améliorons la qualité des animations.

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L’animation basée sur la physique peut générer des systèmes aux comportements complexes et réalistes. Malheureusement, contrôler de tels systèmes est une tâche ardue. Dans le cas de la simulation de fluide, le processus de contrôle est particulièrement complexe. Bien que de nombreuses méthodes et outils ont été mis au point pour simuler et faire le rendu de fluides, trop peu de méthodes offrent un contrôle efficace et intuitif sur une simulation de fluide. Étant donné que le coût associé au contrôle vient souvent s’additionner au coût de la simulation, appliquer un contrôle sur une simulation à plus haute résolution rallonge chaque itération du processus de création. Afin d’accélérer ce processus, l’édition peut se faire sur une simulation basse résolution moins coûteuse. Nous pouvons donc considérer que la création d’un fluide contrôlé peut se diviser en deux phases: une phase de contrôle durant laquelle un artiste modifie le comportement d’une simulation basse résolution, et une phase d’augmentation de détail durant laquelle une version haute résolution de cette simulation est générée. Cette thèse présente deux projets, chacun contribuant à l’état de l’art relié à chacune de ces deux phases. Dans un premier temps, on introduit un nouveau système de contrôle de liquide représenté par un modèle particulaire. À l’aide de ce système, un artiste peut sélectionner dans une base de données une parcelle de liquide animé précalculée. Cette parcelle peut ensuite être placée dans une simulation afin d’en modifier son comportement. À chaque pas de simulation, notre système utilise la liste de parcelles actives afin de reproduire localement la vision de l’artiste. Une interface graphique intuitive a été développée, inspirée par les logiciels de montage vidéo, et permettant à un utilisateur non expert de simplement éditer une simulation de liquide. Dans un second temps, une méthode d’augmentation de détail est décrite. Nous proposons d’ajouter une étape supplémentaire de suivi après l’étape de projection du champ de vitesse d’une simulation de fumée eulérienne classique. Durant cette étape, un champ de perturbations de vitesse non-divergent est calculé, résultant en une meilleure correspondance des densités à haute et à basse résolution. L’animation de fumée résultante reproduit fidèlement l’aspect grossier de la simulation d’entrée, tout en étant augmentée à l’aide de détails simulés. / Physics-based animation can generate dynamic systems of very complex and realistic behaviors. Unfortunately, controlling them is a daunting task. In particular, fluid simulation brings up particularly difficult problems to the control process. Although many methods and tools have been developed to convincingly simulate and render fluids, too few methods provide efficient and intuitive control over a simulation. Since control often comes with extra computations on top of the simulation cost, art-directing a high-resolution simulation leads to long iterations of the creative process. In order to shorten this process, editing could be performed on a faster, low-resolution model. Therefore, we can consider that the process of generating an art-directed fluid could be split into two stages: a control stage during which an artist modifies the behavior of a low-resolution simulation, and an upresolution stage during which a final high-resolution version of this simulation is driven. This thesis presents two projects, each one improving on the state of the art related to each of these two stages. First, we introduce a new particle-based liquid control system. Using this system, an artist selects patches of precomputed liquid animations from a database, and places them in a simulation to modify its behavior. At each simulation time step, our system uses these entities to control the simulation in order to reproduce the artist’s vision. An intuitive graphical user interface inspired by video editing tools has been developed, allowing a nontechnical user to simply edit a liquid animation. Second, a tracking solution for smoke upresolution is described. We propose to add an extra tracking step after the projection of a classical Eulerian smoke simulation. During this step, we solve for a divergence-free velocity perturbation field resulting in a better matching of the low-frequency density distribution between the low-resolution guide and the high-resolution simulation. The resulting smoke animation faithfully reproduces the coarse aspect of the low-resolution input, while being enhanced with simulated small-scale details.