Iterative Solvers for Physics-based Simulations and Displays

Abstract

La génération d’images et de simulations réalistes requiert des modèles complexes pour capturer tous les détails d’un phénomène physique. Les équations mathématiques qui composent ces modèles sont compliquées et ne peuvent pas être résolues analytiquement. Des procédures numériques doivent donc être employées pour obtenir des solutions approximatives à ces modèles. Ces procédures sont souvent des algorithmes itératifs, qui calculent une suite convergente vers la solution désirée à partir d’un essai initial. Ces méthodes sont une façon pratique et efficace de calculer des solutions à des systèmes complexes, et sont au coeur de la plupart des méthodes de simulation modernes. Dans cette thèse par article, nous présentons trois projets où les algorithmes itératifs jouent un rôle majeur dans une méthode de simulation ou de rendu. Premièrement, nous présentons une méthode pour améliorer la qualité visuelle de simulations fluides. En créant une surface de haute résolution autour d’une simulation existante, stabilisée par une méthode itérative, nous ajoutons des détails additionels à la simulation. Deuxièmement, nous décrivons une méthode de simulation fluide basée sur la réduction de modèle. En construisant une nouvelle base de champ de vecteurs pour représenter la vélocité d’un fluide, nous obtenons une méthode spécifiquement adaptée pour améliorer les composantes itératives de la simulation. Finalement, nous présentons un algorithme pour générer des images de haute qualité sur des écrans multicouches dans un contexte de réalité virtuelle. Présenter des images sur plusieurs couches demande des calculs additionels à coût élevé, mais nous formulons le problème de décomposition des images afin de le résoudre efficacement avec une méthode itérative simple.

Realistic computer-generated images and simulations require complex models to properly capture the many subtle behaviors of each physical phenomenon. The mathematical equations underlying these models are complicated, and cannot be solved analytically. Numerical procedures must thus be used to obtain approximate solutions. These procedures are often iterative algorithms, where an initial guess is progressively improved to converge to a desired solution. Iterative methods are a convenient and efficient way to compute solutions to complex systems, and are at the core of most modern simulation methods. In this thesis by publication, we present three papers where iterative algorithms play a major role in a simulation or rendering method. First, we propose a method to improve the visual quality of fluid simulations. By creating a high-resolution surface representation around an input fluid simulation, stabilized with iterative methods, we introduce additional details atop of the simulation. Second, we describe a method to compute fluid simulations using model reduction. We design a novel vector field basis to represent fluid velocity, creating a method specifically tailored to improve all iterative components of the simulation. Finally, we present an algorithm to compute high-quality images for multifocal displays in a virtual reality context. Displaying images on multiple display layers incurs significant additional costs, but we formulate the image decomposition problem so as to allow an efficient solution using a simple iterative algorithm.