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1Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le 17.02.2000 Simulation déclairage dans des environnements architecturaux complexes : approches séquentielle et.

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1 1Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Simulation déclairage dans des environnements architecturaux complexes : approches séquentielle et parallèle Daniel Meneveaux Kadi Bouatouch

2 2Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le PlanPlan uIntroduction uProblématique uStructuration uModélisation uRegroupement de surfaces uRadiosité séquentielle uConclusion et perspectives

3 3Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le IntroductionIntroduction uSimuler les transferts dénergie lumineuse entre les surfaces dun environnement uArchitectes, éclairagistes (placement de luminaires) uÉvaluer différents paramètres de confort visuel : 8 niveau d éclairement 8 éblouissement uAcquisition des propriétés photométriques des matériaux (spectrophotomètres) uUtilisation d un modèle mathématique exprimant les interreflexions lumineuses

4 4Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Introduction modèle déclairement uÉquation de luminance : uk : réflectance bidirectionnelle uLe : luminance auto-émise : angle du rayon incident

5 5Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Introduction équation de radiosité uHypothèse : Surfaces diffuses 8Bi : radiosité du carreau i i : réflectivité du carreau i 8Ei : radiosité auto-émise par le carreau i 8Fij : facteur de forme entre les carreaux i et j uRésolution de ce système à l aide de méthodes itératives (Jacobi / Gauss-Seidel / Southwell)

6 6Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Introduction Radiosité hiérarchique Surface ASurface B Liens d interaction Mailles uMaillage hiérarchique des surfaces afin de réduire le nombre de mailles uCréation de liens entre les mailles afin d accélérer les calculs

7 7Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le uIntroduction uProblématique uStructuration uModélisation uRegroupement de surfaces uRadiosité séquentielle uConclusion et perspectivesPlanPlan

8 8Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le ProblématiqueProblématique

9 9Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le ProblématiqueProblématique u surfaces : Ø mailles Ø1 million de liens Ø1 Go de mémoire èComment faire avec plusieurs millions de surfaces ? èCalcul de radiosité èVisualisation (interactive)

10 10Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Problématique Solutions uDécouper lenvironnement en plusieurs sous-parties appelées cellules uPrécalculer les relations de visibilité entre ces cellules uEffectuer les calculs de radiosité seulement sur un sous- ensemble de cellules à la fois

11 11Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Problématique solution : architecture Cellules 3D Modeleur Structuration géométrie Clusters Regroupement de surfaces SIM_SEQ SIM_PAR BDD RAD VISU

12 12Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le uIntroduction uProblématique uStructuration uModélisation uRegroupement de surfaces uRadiosité séquentielle uConclusion et perspectivesPlanPlan

13 13Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le StructurationStructuration uObjectif «diviser pour mieux régner» : 8Découper lenvironnement en plusieurs régions appelées «cellules» 81 cellule = 1 pièce, 1 couloir, etc. 8Calculer les relations de visibilité inter-cellules u Résultat : 81 liste de cellules 81 graphe de visibilité

14 14Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Structuration lexistant uDécoupage binaire de lespace BSP [Fuchs80]: 8Utilisé par J.M. Airey en 1990 (environnements axiaux) 8Repris par Teller en Découpage binaire récursif de lenvironnement 8Chaque partie est découpée à laide dun seul plan 8Déterminé selon des heuristiques empiriques (polygone le plus occlusif, découpant le moins de surfaces possibles, etc..) uRésultats : 8De trop nombreuses cellules 8Ne respectant pas la topologie de lenvironnement 8Ne fonctionne que pour certains bâtiments : axiaux

15 15Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Structuration notre approche uDéterminer des «plans de découpage» verticaux : 8associés à plusieurs polygones verticaux quasi-alignés 8à laide d un espace dual uExtraire des cellules : 8selon une méthode basée modèle 8base de règles 8fonctionne pour tout type de bâtiment uDéterminer les ouvertures de chaque cellule : 8situées sur les plans de découpage uConstruire un graphe de visibilité

16 16Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Structuration plans de découpage Espace dual, : représente l angle entre la normale du polygone et l axe Ox du repère de la scène correspond à la distance orthogonale entre le plan du polygone et lorigine du repère global de la scène Normale Polygone vertical z x y Aire

17 17Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Structuration plans de découpage uClassification : 8Regrouper les points de lespace dual proches les uns des autres regrouper des polygones verticaux quasi-alignés 8Méthode de classification de type BSP : »Découpage selon laxe »Puis selon laxe P4 P3 P2 P1 P2P3 P4 P1

18 18Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Structuration plans de découpage u1 plan de découpage associé à chaque groupe de polygones verticaux représentés dans lespace dual Déterminé par s et s : 8 s tel que : le demi-espace défini par Ns.Ps + s >= 0 contienne tous les polygones associés aux points appartenant au cluster

19 19Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Structuration plans de découpage

20 20Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Structuration Base de règles uCellules rectangulaires contraintes uCellules rectangulaires non contraintes uCouloirs avec deux murs parallèles uPièces convexes quelconques : suivi de contours

21 21Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Structuration création des ouvertures uOuvertures situées sur les plans de découpage Chambranle (de porte) Plan de découpage

22 22Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Structuration création du graphe de visibilité uCréation dun graphe dadjacence 81 nœud = 1 cellule 81 arc = 1 ouverture commune uCréation du graphe de visibilité 8Parcours du graphe dadjacence en profondeur 8Échantillonnage des ouvertures 8Calculs de visibilité à laide de lancé de rayon

23 23Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Structuration découpage semi-interactif uSélection dune zone 3D

24 24Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Structuration découpage semi-interactif uExtraction de la cellule 1

25 25Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Structuration découpage semi-interactif uExtraction de la cellule 2

26 26Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Structuration découpage semi-interactif uExtraction de la cellule 3

27 27Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Structuration découpage semi-interactif uExtraction de la cellule 4

28 28Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Structuration découpage semi-interactif uExtraction de la cellule 5

29 29Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Structuration découpage semi-interactif uZone bleue = cellules extraites

30 30Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Structuration découpage semi-interactif uExtraction dune cellule quelconque (suivi de contour)

31 31Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Structuration découpage semi-interactif uExtraction dune cellule quelconque (suivi de contour)

32 32Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Structuration découpage semi-interactif uAprès extraction de toutes les cellules Fenêtre de visualisation

33 33Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le uIntroduction uProblématique uStructuration uModélisation uRegroupement de surfaces uRadiosité séquentielle uConclusion et perspectivesPlanPlan

34 34Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le ModélisationModélisation uPourquoi structurer lenvironnement après sa modélisation ? uPlus simple dutiliser les connaissances de lutilisateur pour effectuer une structuration efficace uSolution : 8Outil interactif permettant de modéliser rapidement des environnements très complexes 8Guider la structuration par une modélisation modulaire

35 35Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Modélisation module pièce

36 36Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Modélisation création douverture Description dune ouverture

37 37Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Modélisation module bâtiment

38 38Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le uIntroduction uProblématique uStructuration uModélisation uRegroupement de surfaces uRadiosité séquentielle uConclusion et perspectivesPlanPlan

39 39Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Regroupement de surfaces problématique uA partir dune cellule => de nombreuses surfaces sont visibles èCalculs de radiosité pour 1 seule cellule => taille mémoire importante

40 40Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Regroupement de surfaces solution uComment affiner encore les relations de visibilité ? èConstruire des groupes de surfaces proches les unes des autres : le «clustering» èÉvaluer les relations de visibilité inter-«cluster»

41 41Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Regroupement de surfaces travaux existants uSubdivision spatiale : grilles 3D régulières, arbres BSP, arbres quaternaires, octrees, etc. ØTechniques nécessitant la création dune hiérarchie de volumes, approche descendante ØCritères empiriques et peu intuitifs

42 42Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Regroupement de surfaces notre approche uPas de gestion de hiérarchie, méthode ascendante uTechnique de classification de type k-means : les nuées dynamiques : 8Barycentres mobiles 8usuellement utilisée en 2D

43 43Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Regroupement de surfaces les nuées dynamiques en 3D uNombre de groupes = nb_total / nb_moyen 8nb_total = nombre total de polygones 8nb_moyen = nombre moyen de polygones par groupe, fixé par lutilisateur uChoix des barycentres : de manière aléatoire 8parmi les sommets des polygones uDistance entre un barycentre et une surface = distance au barycentre du polygone uBarycentre dun groupe de polygones = barycentre des barycentres

44 44Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Regroupement de surfaces application aux environnements complexes uUtilisation de la structuration de lenvironnement uRegroupement effectué pour chaque cellule Øaccélération des calculs Øréduction des données en mémoire

45 45Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Regroupement de surfaces calculs de visibilité uBoîte englobante associée à chaque cluster uZone visible dun cluster C à travers une ouverture 8pyramide à lintérieur dune cellule 8déterminée par l ouverture et la boîte englobante de C Zone visible de C (pyramide) Cellule Cluster C Ouverture

46 46Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Regroupement de surfaces propagation de la visibilité uSi une ouverture est contenue dans la pyramide, alors les objets situés de l autre côtés de l ouverture peuvent être visibles Cluster C Nouvelle pyramide

47 47Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Regroupement de surfaces interface graphique uVisualisation des relations de visibilité

48 48Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Regroupement de surfaces interface graphique uVisualisation des relations de visibilité

49 49Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le uIntroduction uProblématique uStructuration uModélisation uRegroupement de surfaces uRadiosité séquentielle uConclusion et perspectivesPlanPlan

50 50Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Radiosité séquentielle travaux antérieurs uUne seule approche : [Teller94] uObjectif : maintenir une bonne localité des données en mémoire u4 heuristiques : 8choix aléatoire du cluster (étalon) 8choix du cluster = ordre de modélisation 8source : choisir le cluster ayant servi comme émetteur le plus souvent 8choix BSP : ordre obtenu par le découpage

51 51Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Radiosité séquentielle notre contribution uProposer de nouvelles heuristiques uPrenant effectivement en compte les accès-disque uObjectif : prédire les coûts des échanges disque/mémoire Øà court terme Øà moyen terme Øà long terme

52 52Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Radiosité séquentielle stratégies « glouton » S et C uChoix dune cellule à un instant donné : 8Sans se préoccuper des coûts à long terme 8lordre global nest pas optimal (en terme dE/S) uGlouton S : 8Coûts évalués en terme de polygones donnés par le modeleur 8cellules contenant beaucoup de polygones choisies en fin ditération uGlouton C : 8Coûts évalués en terme de cellules (ou clusters) 8Afin de favoriser la réutilisation des cellules (ou clusters) déjà en mémoire

53 53Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Radiosité séquentielle stratégies « retour-arrière » S et C uPrévision de coûts à moyen terme 8Création dun arbre de recherche de profondeur N 8Choix du chemin optimal (de longueur N) dans cet arbre Ci

54 54Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Radiosité séquentielle stratégie du « voyageur de commerce » uPour prévoir à long terme les coûts d E/S 8Problème équivalent au voyageur de commerce (VC) 8NP-complet uUtilisation dun algorithme classique de résolution VC 8Orientation et valuation du graphe de visibilité (=> GVC) 8Recherche dun cycle passant par tous les nœuds de GVC 8Effectuer les calculs de radiosité en suivant ce chemin uInconvénients : 8Coûts décriture impossibles à prévoir 8Pour un graphe trop important, temps de calcul prohibitif

55 55Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Radiosité séquentielle architecture logicielle Graphe de visibilité Module dordonnancement Module de Radiosité Mémoire principale (RAM) Disque dur Tableau de clusters (ou cellules) EnMémoire[ ]

56 56Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Radiosité séquentielle stratégie « voyageur de commerce »

57 57Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Radiosité séquentielle résultats Stratégie aléatoire Max énergie Glouton S Glouton C Ret-Arr S Voy Comm Ret-Arr C 229 mn975 mn130 mn280 mn161 mn140 mn1378 mn 152 mn186 mn107 mn93 mn918 mn650 mn Plusieurs jours Cellules Clusters uScène 615 cellules, surfaces et clusters, mailles, 1.5 Millions de liens (maillage grossier) uTaille mémoire minimale avec les cellules : 150 Mo avec les clusters : 60 Mo uTemps dus aux accès-disque = env. 1/10 du temps total

58 58Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le uIntroduction uProblématique uStructuration uModélisation uRegroupement de surfaces uRadiosité séquentielle uRadiosité hiérarchique parallèle uConclusion et perspectivesPlanPlan

59 59Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Radiosité hiérarchique parallèle problématique uCalculs de simulation déclairage encore trop longs uSolution : répartir les calculs et les données sur plusieurs processeurs èComment répartir efficacement les données ? èEquilibrage de charge dynamique èConvergence de l algorithme de radiosité parallèle èGestion de la terminaison des processus

60 60Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Radiosité hiérarchique parallèle travaux antérieurs uFunkhouser : 8Utilisation d algorithmes parallèles de type maître-esclave 8Beaucoup de messages envoyés 8Taille des messages importante uFeng et Yeng : 8Également maître-esclave, Grain plus fin 8Taille des données importante en mémoire des processeurs 8Beaucoup de messages envoyés 8Taille des messages importantes u Remarque : 8L. Renambot IRISA : cas de radiosité parallèle non hiérarchique

61 61Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Radiosité hiérarchique parallèle nos objectifs uPortabilité : 8Réseau hétérogène de machines 8Machine parallèle 8Les deux ensemble 8Utilisation de l environnement de programmation MPI uRéduction de la taille des messages et de leur nombre 8Répertoire commun à tous les processeurs uÉquilibrage de charge (statique & dynamique) uTerminaison et convergence de lalgorithme de radiosité

62 62Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Radiosité hiérarchique parallèle déroulement des calculs uAlgorithme de type SPMD Nœud du graphe = cluster (1) découpage de GV (nuées dynamiques) (2) Distribution des données

63 63Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Radiosité hiérarchique parallèle organisation des données sur le disque commun Répertoire commun P 1P 2P 3P iP n Répertoire local au processeur i (Itération k) (Itération k+1)

64 64Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Radiosité hiérarchique parallèle algorithme uLire sur le disque le graphe de visibilité uTant que non convergence, faire (1 itération) : 8Pour chaque cluster C attribué faire : ØChoisir(C) // algorithme du voyageur de commerce ØLire(C) // et ses clusters visibles sur le disque ØRadiositéGaussSeidel(C) 8EquilibrageChargeDyn() // à chaque itération 8ReconfigurationAnneau() 8Synchronisation() // tests de convergence Pas de messages

65 65Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Radiosité hiérarchique parallèle résultats í 1 SUNULTRA16920mn1 í 2 SUNULTRA6552mn2.5 í 3 SUNULTRA5394mn3.2 í 4 SUNULTRA4338mn3.9 í 1 SGI44594mn3.7 í 8 PROCS2880mn5.9 í 10 PROCS2160mn7.8 TEMPSACC.

66 66Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Radiosité hiérarchique parallèle résultats

67 67Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le uIntroduction uProblématique uStructuration uModélisation uRegroupement de surfaces uRadiosité séquentielle uConclusion et perspectivesPlanPlan

68 68Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Conclusion et perspectives conclusion uCalculs de radiosité pour des environnements complexes : 8temps de calculs prohibitifs, problèmes de stockage mémoire 4Prétraitement : Ødécoupage de l environnement en cellules Øregroupement de surfaces (clusters) 4Simulation déclairage : Øréduction des accès-disque (stratégies d ordonnancement) Øcalcul parallèle 4Visualisation interactive : ØAvant, pendant, après les calculs de radiosité

69 69Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le Conclusion et perspectives perspectives uAdaptation au découpage à des environnements complexes dextérieur (urbains ou ruraux) 8Adaptation / ajout de nouvelles règles uModélisation : 8A compléter et rendre plus opérationnelle (Y. Bertrand) uRendu-basé-image 8Réalisme des images résultantes 8Réduction de certains traitements

70 70Daniel Meneveaux IRCOM-SIC, Poitiers Le


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