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Du plasma pour vos étoiles numériques

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De nombreux films, séries ont mis en scène des étoiles vues de très près. On pourra citer Sunshine (2007), Passengers (2016).
Représenter une étoile en gros plan est un défi, surtout si l’objectif est de mettre en scène la turbulente atmosphère de ces astres.
La couronne de notre soleil, par exemple, zone la plus externe de son atmosphère, présente une apparence fibreuse en raison de plasma éjecté dans l’espace, qui forme des filaments influencés par le champ magnétique. Ces éléments donnent des plans mémorables au cinéma, avec des étoiles à la texture riche et complexe. On trouve évidemment ce même type d’effet dans des jeux vidéo, ou pour de la visualisation scientifique.

Sunshine (2007)
Passengers (2016)

Au SIGGRAPH 2022, la publication Filament Based Plasma propose une nouvelle approche pour produire ce genre de résultat.
Le projet de recherche propose de modéliser ces effets de plasma à l’aide de filaments sous forme de courbes mathématiques, dont la configuration initiale peut être créée artistiquement ou générée de façon procédurale. L’équipe explique qu’une simple map de la surface de l’étoile, définissant le flux magnétique, permet de contrôler artistiquement l’effet.

En bas, la map créée par un artiste pour définir le flux magnétique. En haut le résultat final.

Dans les deux cas, des équations issues de la physique sont ensuite utilisées pour déterminer la forme des filaments, mais aussi pour calculer la lumière émise (effet de glow). Le rendu est effectué sous Houdini à l’aide de Mantra.

Nous éviterons ici de trop nous focaliser sur la technique sous-jacente (la publication complète, Filament Based Plasma, vous donnera plus de détails sur le plan physique et mathématique). Nous nous concentrerons plutôt sur la qualité du résultat d’un point de vue artistique, et sa proximité avec le réel. Et justement, l’équipe propose quelques comparaisons :

  • Au milieu, le champ magnétique solaire durant une éclipse totale. A droite, la méthode de la publication.
  • Images obtenues avec la méthode de la publication (« ours ») et images réelles (« footage ») capturées dans les longueurs d’ondes UV et rayons X.
  • Au centre, images réelles capturées le 21 octobre 2011 ; à droite un rendu obtenu avec la méthode proposée.

La vidéo de présentation, visible ci-dessous, montre plus de résultats, y compris avec des animations.

Si la méthode n’est pas temps réel, les temps de calcul restent très raisonnables : quelques secondes à quelques minutes pour les exemples présentés par l’équipe.
Vient ensuite le rendu de l’image finalisé, lui aussi raisonnable : de l’ordre de la minute pour les plans du soleil complet de la vidéo en 1080p et sur un Ryzen 7 5800X CPU, sachant que l’équipe souligne que l’essentiel des calculs pourraient être parallélisés sur GPU.

Filament Based Plasma est un projet de recherche présenté par Marcel Padilla (TU Berlin), Oliver Gross (TU Berlin), Felix Knöppel (TU Berlin), Albert Chern (UC San Diego), Ulrich Pinkall (TU Berlin), Peter Schröder (Caltech).

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