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Driving Simulation & Virtual Reality

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PhD’s : Thierry LEFEBVRE
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  Simulation d'éclairage réaliste de matériaux hétérogènes en temps réel(Thierry LEFEBVRE)  
 

Soutenue le 22 Octobre 2007 devant la Commission d'examen composée de :

Jean-Pierre Jessel rapporteur
Bernard Péroche rapporteur
Andras Kemeny co-directeur de thèse
Sylvain Michelin co-directeur de thèse
Didier Arquès examinateur
Laurent Lucas examinateur

Résumé

Un simulateur de conduite est un environnement multi-sensoriel visant à reproduire avec la meilleure exactitude possible l'ensemble des stimuli présents dans la conduite réelle. Non seulement utiles pour la formation à la conduite, ils sont de véritables outils de recherche et de conception pour l'industrie automobile. Ils répondent à des besoins nombreux et variés tels que les études en ergonomie (interfaces homme-machine, visibilité du conducteur), la mise au point de systèmes d'aide à la conduite, la sûreté de fonctionnement, la mise au point de la dynamique des véhicules, ou encore de l'étude du comportement humain dans des situations accidentogènes. Pour toutes ces études, la reconstitution la plus réaliste possible des éléments visuels de l'environnement (la route, le paysage, le climat, les éclairages) est capitale. A l'heure actuelle, les simulateurs de conduite développés par le centre technique de simulation (CTS) de Renault o_rent quatre conditions climatiques de conduite : la conduite de jour par beau temps, la conduite de jour avec brouillard (sans simulation de l'éclairage du véhicule), la conduite de nuit avec simulation de l'éclairage du véhicule et la conduite de nuit par temps de brouillard. Les travaux qui sont présentés dans ce document ont pour objectif d'améliorer le réalisme visuel pour la simulation de conduite de jour et de nuit. En particulier, nous nous focalisons sur la représentation de matériaux hétérogènes (asphalt, végétation, etc.), dont les propriétés de ré_exion complexes ont un impact très important sur le réalisme de l'environnement virtuel simulé.

Pour cela, nos travaux se sont concentrés sur l'étude des BTF (Fonction de Texture Bi-directionnelle) adaptées au domaine de la simulation de conduite. Ces fonctions permettent de représenter un matériau par un ensemble de textures pour plusieurs conditions d'observation et d'éclairage. Cette méthode posant un certains nombres de contraintes (disponibilité des échantillons, quantité des données manipul ées), nous avons implanté une méthode de génération de BTF synthétique ainsi qu'une technique de compression et de rendu temps réel pour la simulation d'éclairage réaliste de matériaux hétérogènes en temps réel. En_n, nous verrons que l'amélioration du réalisme visuel par cette méthode, qui fournit à la fois une augmentation du contraste et du nombre de détails sur les surfaces, n'est pas su_sante. Elle met en évidence les limites des systèmes de production d'images en temps réel (échantillonnage spatial et temporel) qui engendrent des artefacts visuels pénalisant ainsi le réalisme obtenu.

 

Abstract

A driving simulator is a multi-sensory environment aiming at reproducing stimuli present in real driving situation with the best realism. Not only useful for driver training, they are genuine tools of research and design for the car industry. They meet many needs such as studies in ergonomics (human-machine interfaces, visibility of the driver), the development of systems for driving assistance, the improvements of the dynamics of the vehicles, or studies concerning the human behavior in dangerous situations. For all these studies, the most realistic reconstitution of visual elements of the environment (road, the landscape, climate, lightings) is very important.

oday, driving simulators developed by the technical centre for simulation (CTS) of Renault o_er several climatic conditions : you can drive at day time with clean weather, at day time with fog (without simulation of the lighting of the vehicle), at night time with simulation of the lighting of the vehicle projectors and at night time with presence of fog. Our work aims to improve visual realism for driving simulation at day and night time. We focus on the representations of surfaces with heterogeneous materials (asphalt, vegetation, etc), having complex properties of re_ectance because their look and fell have a very important impact on the realism of the simulated virtual environment. To achieve this work, the study rely on the BTF (Bidirectional Texture Function) adapted to the _eld of driving simulation. These functions allow representing a material by a set of textures for several conditions of viewing and lighting. Since many constraints arise from this method (availability of the samples, size of the handled data), we set up a method for synthetic BTF generation as well as a technique of BTF compression and rendering algorithm forthe realistic simulation of heterogeneous material lighting in real time. Finally, we will show that improvements of visual realism provided by this method, which increases both contrast and number of details on surfaces, is not su_cient. It highlights the limits of images production systems (sampling rate for spatial and temporal space) which generates visual artifacts penalizing realism obtained by BTF simulation. We have developed a technique of temporal _ltering in order to eliminate these disturbing artifacts in the context of driving simulation where the observer is mostly in movement.

Keywords : Driving simulation, driving simulator, lighting simulation, real-time image synthesis, road surface, heterogenous materials, weather conditions, BRDF, BTF.

 
     
     
     
 
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