Simulation of Virtual Hair

Simulation de chevelures virtuelles

Florence Bertails (1)

1 EVASION - Virtual environments for animation and image synthesis of natural objects

Due to the recent wide spread use of virtual characters in many elds of the entertainment industry, hair simulation has become a very active research topic in computer graphics. In addition, the physical simulation of hair is attracting greater attention from cosmetic experts, who perceive virtual prototyping as an effective means for developing hair care products.
This thesis focuses on two major issues related to the simulation of hair : The interactive simulation of a
full head of hair, and the physical realism of the shape and motion of hair.
We rst develop new algorithms aimed at reducing the cost of calculation inherent in traditional methods
for hair simulation. Our approaches exploit for the rst time a multi-resolution scheme for hair animation as well as volumic rendering of long hair, leading to interactive simulations of full heads of hair.
Secondly, we propose a realistic physically based model for hair, realized in collaboration with experts in the elds of mechanical modeling and cosmetology. Within this partnership, we took part to the development of an accurate mechanical model for a single hair strand, which is based upon the theory of Kirchhoff on elastic rods. In the following of our work, this model is scaled to a full head of hair, and then applied to the realistic generation of static natural hairstyles, as well as to the dynamic simulation of hair from various ethnic origins.
Finally, we validate our approach through a series of comparisons between virtual and real hair.

Du fait de l'importance accrue des personnages virtuels dans tous les secteurs du loisir numérique, la
simulation de chevelures est devenue, ces dernières années, un thème de recherche très actif en informatique graphique. Par ailleurs, la simulation physique de cheveux attire de plus en plus l'attention des cosmétologues, qui voient dans le prototypage virtuel un moyen efcace pour mettre au point des produits capillaires.
Cette thèse s'attaque à deux grandes difcultés antagonistes liées à la simulation de chevelures : d'une part, la simulation en temps interactif d'une chevelure complète ; d'autre part, le réalisme physique de la forme et du mouvement d'une chevelure.
Dans un premier temps, nous élaborons de nouveaux algorithmes visant à réduire le coût de calcul inhérent
aux méthodes classiques d'animation de chevelures. Nos approches exploitent pour la première fois l'animation multi-résolution et le rendu volumique de longs cheveux, donnant lieu à des simulations interactives.
Dans un second temps, nous proposons un modèle physiquement réaliste de chevelure, réalisé en collaboration avec des spécialistes en modélisation mécanique et en cosmétologie. Nous présentons tout d'abord le modèle mécanique précis de cheveu unique, issu de la théorie de Kirchhoff sur les tiges élastiques, dont nous avons participé à l'élaboration au cours de ce partenariat. Étendu à l'échelle de la chevelure complète, ce modèle est ensuite appliqué à la génération réaliste de coiffures naturelles tatiques, puis à la simulation dynamique de chevelures d'origines ethniques variées, avant d'être nalement validé à travers un ensemble de comparaisons avec le réel.

Mots clés: hair; virtual character; simulation of natural phenomena; physically based model; multiresolution<br />animation; volume rendering; lagrangian mechanics; Kirchhoff's rod; computer graphics.

Mots clés: cheveux; personnage virtuel; simulation de phénomènes naturels; modèle physique; animation<br />multirésolution; rendu volumique; mécanique lagrangienne; tige de Kirchhoff; synthèse d'images.

Domaines: Interface homme-machine [cs.HC]; Modélisation et simulation

Florence Bertails. Simulation de chevelures virtuelles. Interface homme-machine [cs.HC]. Institut National Polytechnique de Grenoble - INPG, 2006. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00105799v2⟩