1. Utilisation de phénomènes de croissance pour la génération de formes en synthèse d’images Jean Combaz Pour le titre de docteur en informatique de l’UJF Sous la direction de Fabrice Neyret – EVASION/GRAVIR

2. Introduction Contexte Besoins + de réalisme + de détails + de complexité + d’expressivité Un défi: les scènes naturelles

3. Introduction Motivations De nombreuses formes naturelles de croissance Mécanismes simples formes complexes : morphogénèse

4. Introduction Motivations De nombreuses formes naturelles de croissance Mécanismes simples formes complexes Approches classiques • Modélisation géométrique + Contrôle jusque dans les moindres détails – Exhaustivité: fastidieux [SP86]

5. Introduction Motivations De nombreuses formes naturelles de croissance Mécanismes simples formes complexes Approches classiques • Modélisation géométrique • Modélisation procédurale + Outil de haut niveau, – Contrôle global [Per85] [PH89]

6. Introduction Motivations De nombreuses formes naturelles de croissance Mécanismes simples formes complexes Approches classiques • Modélisation géométrique • Modélisation procédurale • Modélisation physique + Outil de haut niveau, réalisme – Contrôle, paramètres inconnus, condition initiale, historique des forces,… [BHW94]

7. Introduction Objectifs et approche Reproduire des formes naturelles résultant de croissance • Formes visuellement réalistes suffisantes • De nombreux mécanismes, quelques formes typées [Tho17] Modeleur • Le juste niveau de contrôle + Extension à d’autres formes

8. Plan [PG02,AFIG02] • Phénomènes naturels de croissance • Principe de notre modeleur de croissanceContribution 1 • Modèles déformables • Calcul d’une nouvelle formeContribution 2 • Modalités d’interactionContribution 3 Conclusion [PG02,AFIG02] [SCA04]

9. I. Phénomènes naturels de croissance 1. Plis et cloques • Phénomènes naturels de croissance • Plis et cloques • Croissance arborescente • Motifs de croissance • Croissance pour la synthèse d’images • Principe de notre modeleur de croissance • Modèles déformables • Calcul d’une nouvelle forme • Modalités d’interaction Conclusion

10. I. Phénomènes naturels de croissance 1. Plis et cloques surface + croissance + contraintes Plis ou cloques

11. I. Phénomènes naturels de croissance 1. Plis et cloques surface + croissance + contraintes Plis ou cloques 1.1 Contraintes externes

12. I. Phénomènes naturels de croissance 1. Plis et cloques surface + croissance + contraintes Plis ou cloques 1.1 Contraintes externes

13. I. Phénomènes naturels de croissance 1. Plis et cloques surface + croissance + contraintes Plis ou cloques 1.1 Contraintes externes

14. I. Phénomènes naturels de croissance 1. Plis et cloques surface + croissance + contraintes Plis ou cloques 1.1 Contraintes externes

15. I. Phénomènes naturels de croissance 1. Plis et cloques surface + croissance + contraintes Plis ou cloques 1.1 Contraintes externes 1.2 Croissance hétérogène

16. I. Phénomènes naturels de croissance 1. Plis et cloques surface + croissance + contraintes Plis ou cloques 1.1 Contraintes externes 1.2 Croissance hétérogène

17. I. Phénomènes naturels de croissance 1. Plis et cloques surface + croissance + contraintes Plis ou cloques 1.1 Contraintes externes 1.2 Croissance hétérogène

18. I. Phénomènes naturels de croissance 1. Plis et cloques surface + croissance + contraintes Plis ou cloques 1.1 Contraintes externes 1.2 Croissance hétérogène

19. I. Phénomènes naturels de croissance 1. Plis et cloques surface + croissance + contraintes Plis ou cloques 1.1 Contraintes externes 1.2 Croissance hétérogène 1.3 Croissance: contractions

20. I. Phénomènes naturels de croissance 2. Croissance arborescente • Phénomènes naturels de croissance • Plis et cloques • Croissance arborescente • Motifs de croissance • Croissance pour la synthèse d’images • Principe de notre modeleur de croissance • Modèles déformables • Calcul d’une nouvelle forme • Modalités d’interaction Conclusion

21. I. Phénomènes naturels de croissance 2. Croissance arborescente 2.1 Branches végétales [HEL00,Amz03]

22. I. Phénomènes naturels de croissance 2. Croissance arborescente 2.1 Branches végétales [HEL00,Amz03] Méristèmes

23. I. Phénomènes naturels de croissance 2. Croissance arborescente 2.1 Branches végétales [HEL00,Amz03] Méristèmes Facteurs de croissance influençant la forme • Vitesse de croissance • Inhibition des méristèmes • Contraintes mécaniques • Gravité, lumière, contact, …

24. I. Phénomènes naturels de croissance 2. Croissance arborescente 2.1 Branches végétales [HEL00,Amz03] 2.2 Système sanguin[Fle03] Pression sanguine élevée Croissance en diamètre des vaisseaux

25. I. Phénomènes naturels de croissance 2. Croissance arborescente 2.1 Branches végétales [HEL00,Amz03] 2.2 Système sanguin[Fle03] Pression sanguine élevée faible Croissance en diamètre Régression des vaisseaux capillaire

26. I. Phénomènes naturels de croissance 2. Croissance arborescente 2.1 Branches végétales [HEL00,Amz03] 2.2 Système sanguin[Fle03] 2.3 Mécanisme DLA Diffusion Limited Aggregation: agrégation limitée par diffusion

27. I. Phénomènes naturels de croissance 2. Croissance arborescente 2.1 Branches végétales [HEL00,Amz03] 2.2 Système sanguin[Fle03] 2.3 Mécanisme DLA[WS81] Diffusion Limited Aggregation: agrégation limitée par diffusion Illustration les marcheurs aléatoires

28. I. Phénomènes naturels de croissance 2. Croissance arborescente 2.1 Branches végétales [HEL00,Amz03] 2.2 Système sanguin[Fle03] 2.3 Mécanisme DLA[WS81] Diffusion Limited Aggregation: agrégation limitée par diffusion Illustration les marcheurs aléatoires

29. I. Phénomènes naturels de croissance 2. Croissance arborescente 2.1 Branches végétales [HEL00,Amz03] 2.2 Système sanguin[Fle03] 2.3 Mécanisme DLA[WS81] Diffusion Limited Aggregation: agrégation limitée par diffusion Illustration les marcheurs aléatoires

30. I. Phénomènes naturels de croissance 2. Croissance arborescente 2.1 Branches végétales [HEL00,Amz03] 2.2 Système sanguin[Fle03] 2.3 Mécanisme DLA[WS81] Diffusion Limited Aggregation: agrégation limitée par diffusion Illustration les marcheurs aléatoires amplification des irrégularités: création de nouvelles branches

31. I. Phénomènes naturels de croissance 2. Croissance arborescente 2.1 Branches végétales [HEL00,Amz03] 2.2 Système sanguin[Fle03] 2.3 Mécanisme DLA[WS81] Diffusion Limited Aggregation: agrégation limitée par diffusion Illustration les marcheurs aléatoires amplification des irrégularités: création de nouvelles branches

32. I. Phénomènes naturels de croissance 2. Croissance arborescente 2.1 Branches végétales [HEL00,Amz03] 2.2 Système sanguin[Fle03] 2.3 Mécanisme DLA[WS81] Diffusion Limited Aggregation: agrégation limitée par diffusion Illustration les marcheurs aléatoires amplification des irrégularités: création de nouvelles branches effet « écran »: croissance des branches externes

33. I. Phénomènes naturels de croissance 2. Croissance arborescente 2.1 Branches végétales [HEL00,Amz03] 2.2 Système sanguin[Fle03] 2.3 Mécanisme DLA[WS81] Diffusion Limited Aggregation: agrégation limitée par diffusion Illustration les marcheurs aléatoires amplification des irrégularités: création de nouvelles branches effet « écran »: croissance des branches externes

34. I. Phénomènes naturels de croissance 2. Croissance arborescente 2.1 Branches végétales [HEL00,Amz03] 2.2 Système sanguin[Fle03] 2.3 Mécanisme DLA[WS81] Diffusion Limited Aggregation: agrégation limitée par diffusion Illustration les marcheurs aléatoires amplification des irrégularités: création de nouvelles branches effet « écran »: croissance des branches externes

35. I. Phénomènes naturels de croissance 2. Croissance arborescente 2.1 Branches végétales [HEL00,Amz03] 2.2 Système sanguin[Fle03] 2.3 Mécanisme DLA[WS81,BJ] Exemples: • Bactéries, coraux

36. I. Phénomènes naturels de croissance 2. Croissance arborescente 2.1 Branches végétales [HEL00,Amz03] 2.2 Système sanguin[Fle03] 2.3 Mécanisme DLA[WS81,BJ,Kaa99] Exemples: • Bactéries, coraux

37. I. Phénomènes naturels de croissance 2. Croissance arborescente 2.1 Branches végétales [HEL00,Amz03] 2.2 Système sanguin[Fle03] 2.3 Mécanisme DLA[WS81,BJ,Kaa99,Fle] Exemples: • Bactéries, coraux • Drainage dû à l’érosion

38. I. Phénomènes naturels de croissance 2. Croissance arborescente 2.1 Branches végétales [HEL00,Amz03] 2.2 Système sanguin[Fle03] 2.3 Mécanisme DLA[WS81,BJ,Kaa99,Fle] Exemples: • Bactéries, coraux • Drainage dû à l’érosion • Croissance dendritique

39. I. Phénomènes naturels de croissance 2. Croissance arborescente 2.1 Branches végétales [HEL00,Amz03] 2.2 Système sanguin[Fle03] 2.3 Mécanisme DLA[WS81,BJ,Kaa99,Fle,Nak54] Exemples: • Bactéries, coraux • Drainage dû à l’érosion • Croissance dendritique • Croissance des cristaux

40. I. Phénomènes naturels de croissance 3. Motifs de croissance • Phénomènes naturels de croissance • Plis et cloques • Croissance arborescente • Motifs de croissance • Croissance pour la synthèse d’images • Principe de notre modeleur de croissance • Modèles déformables • Calcul d’une nouvelle forme • Modalités d’interaction Conclusion

41. I. Phénomènes naturels de croissance 3. Motifs de croissance 3.1 Réaction-diffusion[Tur52] • Réaction: activateur-inhibiteur

42. I. Phénomènes naturels de croissance 3. Motifs de croissance 3.1 Réaction-diffusion[Tur52] • Réaction: activateur-inhibiteur • Diffusion: vitesses différentes

43. I. Phénomènes naturels de croissance 3. Motifs de croissance 3.1 Réaction-diffusion[Tur52] • Réaction: activateur-inhibiteur • Diffusion: vitesses différentes

44. I. Phénomènes naturels de croissance 3. Motifs de croissance 3.1 Réaction-diffusion[Tur52] • Réaction: activateur-inhibiteur • Diffusion: vitesses différentes

45. I. Phénomènes naturels de croissance 3. Motifs de croissance 3.1 Réaction-diffusion[Tur52] • Réaction: activateur-inhibiteur • Diffusion: vitesses différentes

46. I. Phénomènes naturels de croissance 3. Motifs de croissance 3.1 Réaction-diffusion[Tur52] • Réaction: activateur-inhibiteur • Diffusion: vitesses différentes

47. I. Phénomènes naturels de croissance 3. Motifs de croissance 3.1 Réaction-diffusion[Tur52] • Réaction: activateur-inhibiteur • Diffusion: vitesses différentes

48. I. Phénomènes naturels de croissance 3. Motifs de croissance 3.1 Réaction-diffusion[Tur52] • Réaction: activateur-inhibiteur • Diffusion: vitesses différentes

49. I. Phénomènes naturels de croissance 3. Motifs de croissance 3.1 Réaction-diffusion[Tur52] • Réaction: activateur-inhibiteur • Diffusion: vitesses différentes Création de motifs: taches, bandes, …

50. I. Phénomènes naturels de croissance 3. Motifs de croissance 3.1 Réaction-diffusion[Tur52,FMP92,Mur88] • Réaction: activateur-inhibiteur • Diffusion: vitesses différentes Exemples • Pigmentation (poissons, pelage des félins, coquillages, …)