SIGGRAPH 2021 : un algorithme met de la vie dans vos paysages

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Dans le cadre du SIGGRAPH 2021, Pierre Ecormier-Nocca, Guillaume Cordonnier, Philippe Carrez, Anne‑marie Moigne, Pooran Memari, et al. présentent leur publication Authoring Consistent Landscapes with Flora and Fauna.

Un paysage peuplé d’espèces animales et végétales, en quelques minutes

Ce projet de recherche propose une méthode pour créer des paysages avec faune et flore, en s’appuyant sur les interactions inter-espèces et sur des conditions climatiques choisies en amont.

Autrement dit, plutôt que de générer et placer à la main les êtres vivants sur un terrain (ce qui prend du temps) ou d’utiliser une approche aléatoire (ce qui donne des résultats qui ne seront pas forcément crédibles), la méthode proposée prend en compte les liens entre espèces pour automatiser le processus tout en restant crédible.
Concrètement, l’algorithme prend en entrée une chaîne alimentaire, certains éléments fixés par l’utilisateur comme un ratio entre espèces en compétition. Il génère des maps de densité pour chaque espèce, mais aussi leurs circuits quotidiens. Un terrain modifié est ensuite généré avec par exemple le rajout des pistes utilisées par les animaux et donc l’érosion qui en résulte.
Mieux encore, le système présenté permet d’explorer interactivement sous Unity le paysage résultant de ces calculs, avec instanciation à la volée de la faune et de la flore. Enfin, l’utilisateur peut éditer le résultat en modifiant/peignant manuellement les maps.

Trois innovations principales

En coulisses, la méthode proposée s’appuie notamment sur le Resource Access Graph (RAG), une structure de données qui encode les interactions entre les niveaux de la chaîne alimentaire ainsi que les déplacements des animaux sur le terrain pour accéder aux ressources.
En outre, la publication met en avant l’usage d’un algorithme procédural permettant d’approximer rapidement un écosystème stationnaire à chaque étape de la chaîne alimentaire.
La génération des maps sur une machine équipée d’un Xeon E5 et de 32Go de RAM se fait en 15 minutes en moyenne pour des terrains de l’ordre de 16km² ; en cas de modification manuelle des maps, la re-génération des maps prend de quelques secondes à quelques minutes, selon le type de modification.
Enfin, l’équipe décrit dans la publication une méthode pour l’instanciation à la volée de plantes animaux durant l’exploration interactive du terrain. Avec la machine évoquée dans le point précédent, équipée d’une Quadro M2000, la visualisation est temps réel.

Ces trois points sont les contributions principales du projet de recherche par rapport à l’état de l’art.

De vastes débouchés, du cinéma à la recherche

Les débouchés de cette publication sont multiples : on pense évidemment à des usages artistiques, pour générer un terrain avec écosystème afin d’utiliser le résultat pour des effets visuels, de l’animation ou du jeu vidéo. L’équipe de recherche souligne en outre que les sciences peuvent bénéficier du projet, qu’il s’agisse de biologistes ou paléontologues, afin de disposer d’un outil supplémentaire pour explorer leurs modèles.
Des expérimentations ont d’ailleurs été menées pour évaluer le système proposé, avec deux groupes de personnes :

• des paléontologues, qui se sont montrés enthousiastes à l’idée de pouvoir valider visuellement des hypothèses. ils ont également salué le gain de temps permis par l’outil, avec ses cartes générées rapidement tout en étant précises. Une de leurs critiques concerne l’envie de rajouter d’autres espèces en plus de celles incluses dans le prototype.
• des infographistes davantage intéressés par l’aspect artistique. Ces derniers ont surtout fait des suggestions pour améliorer les contrôles manuels et la visualisation : le prototype actuel montre toujours le terrain en fin de matinée, avec un ciel ensoleillé de début d’été : un ajustement manuel des saisons, de l’heure et de la météo serait bienvenus. Un utilisateur de Unity a souligné le gain de temps massif apporté par le système : générer à la main les trajectoires de 120 troupeaux de 7 espèces différentes aurait pris au moins 10h à la main, contre quelques minutes avec l’algorithme.

Quelles limites et améliorations à venir ?

Comme toujours en recherche, le projet comporte des limites et améliorations possibles. En voici quelques-unes citées dans l’article :

• Outre certaines approximations, les chercheurs ont pris en compte des chaînes alimentaires simplifiées, sans oiseaux, espèces animales de petite taille, faune sous-marine. Une approche plus complète serait toutefois totalement possible techniquement.
• Visuellement, le réalisme du paysage pourrait être largement amélioré : par exemple, avec des dégâts sur les arbres situés à proximité des pistes utilisées par les gros animaux.
• Le système pourrait prendre en compte les coopérations entre espèces : impact de la pollinisation par les insectes sur la végétation, déjections animales qui fertilisent le sol.
• Au lieu de se contenter de générer un écosystème stable, on pourrait imaginer un système permettant de contrôler les évolutions temporelles, afin d’avoir un paysage évoluant graduellement au fil des années, siècles, millénaires.
  

Malgré les limitations actuelles, ce projet de recherche n’en reste pas moins passionnant, et laisse envisager de vastes débouchés.
La publication est disponible publiquement en ligne : Authoring Consistent Landscapes with Flora and Fauna.