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Simulation de fluides

Dossier réalisé en partenariat avec :

E-tribart propose  des formations continues à la création d'effets speciaux pour des séquences cinématographiques en utilisant les différents types de "pipelines" de production, avec Realflow, Maya, Nuke et PFtrack, avec des cours préenregistrés et un suivi (1 à 2 fois par semaine) en cours en direct.
Prochaine formation: avril 2013 (durée: 7 mois)
Tous les renseignements sont sur le site www.e-tribart.fr

La simulation de fluides  est l’un des gros challenges de la recherche 3D pour nos logiciels de création.

Dossier réalisé par Paul Schmitt et Wilhelm Kuhn

Le but est ici de faire une modélisation d'effets fluides (océans, rivières, eau qui coule), en animation, le plus souvent dynamique (avec les effets de gravité notamment). Très gourmande en calcul, une telle simulation se base sur des équations complexes, (comme celles de Navier-Stokes) , lourdes en calcul. Les objets manipulés par le logiciel sont le plus souvent des particules, mais en fait aussi fréquemment des objets particuliers, créés spécialement pour faire du fluide.... Dans Maya, ce sont des sortes de Voxels par exemple, cad des pixels volumiques. En tout cas pas des polygones, même si les fluides peuvent être convertis en polygones une fois générés.

 Ces types de simulation sont plus mathématiques et physiques qu'artistiques... et sont très gourmandes en calcul. D'où l'intérêt, surtout si on n'est pas programmeur, d'avoir des outils qui donnent les effets voulus tout en optimisant les temps de calcul et l'interface utilisateur.

Les premières simulations de fluides ont moins de 20 ans. C’est donc une technique juste sortie de l'adolescence que nous avons aujourd’hui.

Un peu d’histoire
C’est en 1996 que Nick Foster et Dimitris Metaxas proposent la première simulation de fluides, qui est calculée avec les équations de Navier-Stokes.

Mais c’est surtout en 1999 que les fluides vont devenir très populaires, grâce au travail de Jos Stam, qui va ensuite mettre en œuvre le premier gros système de fluides dans un logiciel commercial, à savoir Maya. Jos Stam est avec Ron Fedkiw qui a repris son travail pour aller plus loin, l’un des deux grands « Monsieur Fluide ». A eux deux, ils ont considérablement fait avancer la recherche dans ce domaine, et la majorité des outils dont on dispose aujourd’hui leur doit beaucoup.

Exemple de travaux de recherche récents de Fedkiw, avec mélange de deux fluides

Actuellement, nous commençons à disposer d’outils assez performants pour faire des simulations de fluides, mais les avancées sont encore notables. Il n’y a qu’à regarder chaque année ce qui se passe au Siggraph pour voir que nous sommes encore loin du but.

Les logiciels
Même si de nombreux outils en standard ou en plug-ins sont disponibles dans tous les grands logiciels de création 3D, il y a incontestablement un outil vedette dans le monde des fluides : il s’agit de RealFlow. Il est capable de fournir toutes les solutions importantes pour gérer des fluides (écoulements, océans, fontaines, inondations, etc.). Extrêmement puissant, il dispose de plug-ins d’export vers les principaux logiciels 3D du marché : 3ds Max, Maya, Softimage, LightWave, Houdini et Cinema 4D. Son seul défaut est qu’il coûte assez cher (près de 3000 € pour une licence).

La mer hyperréaliste des « Pirates » d’Aardman a été simulée avec RealFlow

Donc, de nombreux utilisateurs essayent d’utiliser d’autres systèmes, dont ceux proposés en standard, comme les Maya Fluides, qui sont corrects, mais sans plus : un peu anciens dorénavant, ils restent très limités quand on veut créer des simulations complexes.

Un très bon outsider est proposé par 3D Aliens. Il s’agit de Glu3D, disponible pour moins de 300 € en plug-ins pour 3ds Max et Maya. Certes un peu moins complet que RealFlow, il est toutefois beaucoup plus simple et léger à mettre en œuvre, ce qui peut être un sérieux atout.

Parmi les outils standards, les meilleurs sont Blender et Houdini, qui disposent de simulateurs de fluides de très grande qualité.

Simulation photo réaliste de fluides avec Blender et le moteur de rendu Cycles

Les bons conseils de la rédaction
1 Attention ! Les fluides sont souvent très lourds, donc étudiez bien la meilleure façon de les intégrer dans votre scène 3D
2 RealFlow est le meilleur logiciel de simulation de fluides actuel : si vous ne l’avez pas, vous allez devoir faire des exploits pour obtenir de bonnes réalisations.
3 La plupart des outils de simulation de fluides permettent d’exporter les créations en maillages 3D : c’est lourd en polygones, mais beaucoup plus léger en calcul !
4 Si vous n’avez pas de bon outil de fluide dans votre logiciel 3D préféré, n’hésitez pas à en utiliser un autre, et à jouer avec le compositing pour la scène finale (pas toujours possible malheureusement)
5 Maya et Blender notamment disposent de superbes océans 3D !

Une simulation d’océan avec Maya

6 Ceux qui savent programmer (en Python notamment), vont pouvoir scripter des simulations plus évoluées que celles proposées en standard.
7 Faire une bonne simulation de fluides demande beaucoup de temps : rien de magique ici, aussi soyez méticuleux et patients…

Liens utiles :
Pour les matheux, les équations de Navier-Stokes : fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89quations_de_Navier-Stokes
La page de Ron Fedkiw : physbam.stanford.edu/~fedkiw/
La page de Jos Stam : www.dgp.toronto.edu/~stam/
Les articles du Siggraph 2012 : kesen.realtimerendering.com/sig2012.html
RealFlow : www.realflow.com
Glu3D : 3daliens.com/joomla/

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