Conception Et Animation Interactive De Foules Pour De Vastes Environnements Kevin Jordao
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Conception et animation interactive de foules pour de vastes environnements Kevin Jordao To cite this version: Kevin Jordao. Conception et animation interactive de foules pour de vastes environnements. Synthèse d’image et réalité virtuelle [cs.GR]. INSA de Rennes, 2015. Français. NNT : 2015ISAR0030. tel- 01303776 HAL Id: tel-01303776 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01303776 Submitted on 18 Apr 2016 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. Thèse THESE INSA Rennes présentée par sous le sceau de l’Université européenne de Bretagne Kévin Jordao pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L’INSA DE RENNES ECOLE DOCTORALE : MATISSE Spécialité : Informatique LABORATOIRE : IRISA / INRIA Rennes Thèse soutenue le 21.12.2015 Interactive design and devant le jury composé de : animation of crowds for Pr. Bruno Arnaldi Professeur, INSA de Rennes / Président large environments Pr. Nuria Pelechano Professeur Associée Université Polytechnique de Catalogne / Rapporteur Dr. Ronan Boulic Maître d’enseignement et de recherche Ecole Polytechnique Fédérale / Rapporteur Pr. David Cazier Professeur, Université de Strasbourg / Examinateur Pr. Marie-Paule Cani Professeur, Université de Grenoble INP-Ensimag / Directeur de thèse Dr. Julien Pettré Chargé de recherche HDR Inria Rennes / Directeur de thèse THESE` INSA Rennes pr´esent´ee par sous le sceau de l’Universit´eEurop´eenne de Bretagne K´evin Jordao pour obtenir le grade de ECOLE´ DOCTORALE : MATISSE DOCTEUR DE L’INSA DE RENNES LABORATOIRE : Irisa / Inria Rennes Sp´ecialit´e: Informatique Interactive design and animation of crowds for large environments Th`ese soutenue le 21 D´ecembre 2015 devant le jury compos´ede : Pr. Bruno Arnaldi Professeur, INSA de Rennes, France / Pr´esident Pr. Nuria Pelechano Professeur Associ´ee Universit´ePolytechnique de Catalogne, Barcelone, Espagne / Rapporteuse Dr. Ronan Boulic Maˆıtre d’enseignement et de recherche Ecole´ Polytechnique F´ed´erale, Lausanne, Suisse / Rapporteur Pr. David Cazier Professeur, Universit´ede Strasbourg, France / Examinateur Pr. Marie-Paule Cani Professeur, Universit´ede Grenoble INP-Ensimag, France / Directrice de th`ese Dr. Julien Pettr´e Charg´ede recherche HDR Inria, Rennes, France / Co-directeur de th`ese A` Ma famille, mes amis.. Remerciements Je tiens `aremercier les membres de mon jury pour avoir examin´emon manuscrit, et pour la rapidit´e`ala laquelle ils m’ont retourn´eleurs rapports. Je les remercie ´egalement de l’effort qu’ils ont fait pour le d´eplacement jusqu’`aRennes, et d’avoir accept´eune date de soutenance qui g´en´eralement est une p´eriode de fˆete en famille. Merci aussi `ames directeurs de th`ese qui m’ont encadr´es tout au long de ces 3 ans. Ils m’ont beaucoup aid´e`aprogresser dans le milieu de la recherche, que ce soit en r´edaction, sur la pr´esentation de mes travaux, ou bien sur mes directions de recherche. Je tiens particulierement `asouligner la disponibilit´ede Marie Paule Cani malgr´es sont emploie du temps surcharg´e. J’aimerais sp´ecialement remercier les ing´enieurs de recherche qui ont travaill´e avec moi pendant ma th`ese. A savoir, Orianne Siret et Tristan Lebouffant. Ils m’ont ´et´ed’une aide pr´ecieuse pour mettre en valeur mes resultats. Et d’un soutien sans ´equivoque lors des longues nuits `afinaliser les projets. Merci `amon coll`egue Panayiotis Charalambous, avec qui j’ai a beaucoup tra- vaill´esur ma derni`ere contribution. Il m’a beucoup aid´e concernant les r´ep´etitions de pr´esentations d’artcles ou de ma th`ese, sur l’anglais, la redaction et ma moti- vation en g´en´eral. Merci `ames coll`egues pour les d´elires et les discussions. Je pense notament `aOrianne, Quentin, Camille, Kim, Tristan, Diane, Huyen, Guillaume, Fran¸cois, Julian, Ferran, Fabien, And´eol, Merwan, Adrien...Avec qui j’ai pass´ede tr`es bon moments et qui a particip´eau fait que mes 3 ans de th`ese ce soit d´eroul´edans de superbes conditions. J’aimerais aussi remercier mon professeur de wushu, Bertrand Denolle, qui m’a 1 2 Remerciements transmit une autre passion en dehors de l’informatique : les arts martiaux chinois. Dans les moment intenses de ma th`ese les cours de Bertrand me permettaient de me vider completement la tˆete et de recharcger les batteries pour pouvoir repartir de plus belle. J’aimerais aussi remercier mes amis en g´en´eral. Dont certain qui ont fait l’aller retour depuis Paris pour venir m’encourager lors de ma soutenance. J’aimerais plus particulierement remercier Laurent Noel, qui a su me transmettre sa passion pour l’informatique. Sans lui je ne serai pas `ace niveau d’´etudes aujourd’hui. J’aimerais finir ces remerciements en mettant `al’honneur ma famille. Durant ces ann´ees d’´etudes, elle n’a eu de cesse de me soutenir et de m’encourager. Je pense particulierement `ama mere et `ama grand mere, qui malgr´es quelques p´eriodes difficiles durant ma scolarit´e, n’ont jamais dout´ede moi et toujours su me donner l’´elant necessaire pour aller plus loin, pour aller plus haut. Merci. Contents Remerciements 1 1 Introduction 9 1.1 Context ................................ 9 1.2 Problemstatement .......................... 12 1.3 Contributions ............................. 13 1.4 Organizationofthisdocument. 14 1.5 Publications.............................. 15 1.5.1 Technicalpapers ....................... 15 1.5.2 Posters............................. 15 1.5.3 Shortpapers.......................... 15 2 Related work on crowd animation design and expressive model- ing 17 2.1 CrowdSimulation .......................... 18 2.1.1 MicroscopicSimulation. 18 2.1.1.1 Rule-based and Path Planning Approaches . 19 2.1.1.2 Force-basedApproaches . 20 2.1.1.3 GeometricApproaches . 20 2.1.1.4 Data-drivenApproaches . 22 2.1.2 MacroscopicSimulation . 23 2.1.3 Summary ........................... 24 2.2 CrowdAnimationDesignandRe-use . 25 2.2.1 High-LevelControlonSimulationSystem . 26 5 6 Contents 2.2.2 MotionEditing ........................ 27 2.2.3 Texturebasedapproach . 28 2.2.4 Summary ........................... 30 2.3 ExpressiveModeling . 31 2.3.1 Sketchingmetaphors . 32 2.3.2 Paintingmetaphors . 34 2.3.3 Sculptingmetaphors . 35 2.3.4 Summary ........................... 37 2.4 Conclusion .............................. 38 3 Crowd Patches Framework 41 3.1 CrowdPatchesPrinciple . 42 3.2 SynthesizingCrowdsusingCrowdPatches . 42 3.3 In-Patchtrajectoriesgeneration . 44 3.3.1 RVO-basedalgorithm . 44 3.3.1.1 Principle ...................... 45 3.3.1.2 Discussion...................... 46 3.3.2 Crowdpatcheseditor. 46 3.3.2.1 Featuresofthetool. 49 3.3.2.2 Discussion...................... 50 3.4 Viewers ................................ 50 3.4.1 SFMLViewer......................... 51 3.4.2 UnityViewer ......................... 51 3.5 Summary ............................... 51 4 Shaping Crowd Animations 55 4.1 Introduction.............................. 56 4.2 Overview................................ 57 4.3 Amutablemodelforsculptingcrowds . 59 4.3.1 PatchesRest-states . 59 4.3.2 PatchesStateSpace . 62 4.3.3 Geometricdeformationsofpatches . 66 Contents 7 4.4 Results ................................ 67 4.5 Summary ............................... 69 5 DensityandFlowControlofCrowdAnimations 71 5.1 Introduction.............................. 72 5.2 Overview................................ 74 5.3 DensityandDirectionControlinPatches . 75 5.4 OptimizingCrowdRequirements . 78 5.4.1 Algorithm ........................... 79 5.4.2 Optimizationsteps . 81 5.5 UserInterface ............................. 85 5.6 Results................................. 87 5.6.1 DensityControl........................ 87 5.6.2 FlowDirectionControl. 88 5.6.3 UseCases ........................... 89 5.6.4 Performance.......................... 92 5.7 Discussion............................... 92 6 TemporalEditingofCrowdPatches 97 6.1 CrowdPatchesPermutation . 98 6.1.1 Overview ........................... 98 6.1.2 Conclusion........................... 101 6.2 ReactiveCrowdPatches . 101 6.2.1 Principle............................ 102 6.2.2 ResultsandDiscussion . 103 6.3 Conclusion............................... 105 7 Conclusion 107 7.1 Contributionsanddiscussion. 107 7.1.1 Crowdsculpting. 107 7.1.2 CrowdArt........................... 109 7.2 FutureDirections . 110 7.2.1 Authoring tool to control crowds over time . 110 8 Contents 7.2.2 ReactiveCrowdPatches . 110 Author’s publications 113 Bibliography 122 List of Figures 123 List of Tables 131 .1 Contexte................................ 134 .2 Enonc´eduprobl`eme . 135 .3 Contributions ............................. 136 .4 Organisationdudocument . 138 .5 Publications.............................. 139 .5.1 Technicalpapers ....................... 139 .5.2 Posters............................. 139 .5.3 Shortpapers.......................... 139 .6 Conclusion............................... 139 .6.1 Contributionsetdiscussion. 140 .6.1.1 Crowdsculpting . 140 .6.1.2 CrowdArt ..................... 142 .6.2 Directionsfuture . 142 .6.2.1 Outil de cr´eation pour contrˆoler la foule dans le temps ........................ 142 .6.2.2 Crowdpatchesreactifs .