Simulation du rayonnement visible dans des champs nuageux issus de simulations météorologiques
Ces images sont produites en résolvant l’équation de transfert radiatif (la physique du rayonnement) dans des champs de gouttes construits par résolution de la dynamique de condensation/évaporation de l’eau dans l’atmosphère (la dynamique des fluides turbulents et la thermodynamique de l’air humide). La simulation fluide est réalisée par Météo-France à l’aide d’une modèle météorologique de méso-échelle (modèle LEA de nuages de couche limite). La simulation radiative est réalisée sur la base de nos travaux de formulation en espace de chemin et d’échantillonnage statistiques. Tous les ingrédients de la physique du rayonnement atmosphérique sont pris en compte : diffusion et absorption par les gouttes d’eau (le blanc des nuages), diffusion par les molécules d’azote (le bleu du ciel) et atténuation par les composés gazeux absorbants, depuis la source (rayonnement solaire incident au sommet de l’atmosphère) jusqu’à chacun des pixels de la caméra.
Collisions nulles et conception de grilles accélératrices
La mise en oeuvre de tels calculs radiatifs a demandé un travail de reformulation intégrale très approfondi : une revisite d’un concept introduit dès l’origine des simulations statistiques en physique des particules, le concept de collision nulle (qui consiste à rajouter des diffuseurs virtuels qui diffusent vers l’avant, donc n’ont aucun impact sur le rayonnement, mais permettent de traiter numériquement le nuage comme si il était homogène). Cette revisite, à partir du formalisme intégral que nous avons développé depuis un vingtaine d’année, fait partie des succès les plus significatifs de la plateforme EDStar. Elle a notamment été très largement reprise par Disney, puis par d’autres studios, pour la création d’images de scènes nuageuses dans des films récents.
Dans cette recherche, au delà de la dimension physicienne du travail de formulation statistique, un élément essentiel est la construction de grilles accélératrices. Ces grilles n’ont aucun impact sur l’image finale, au sens où elles ne changent aucun des résultats du calcul. Elles affectent par contre le temps de calcul et surtout rendent l’effort de simulation insensible à la complexité de la donnée géométrique. A titre d’illustration, dans la partie gauche de la figure ci-dessous sont affichés trois temps de calculs correspondant à trois nuages physiquement identiques :
- pour le premier calcul (“Bench”), le nuage est directement celui issus des simulations de Météo-France et le sol est un sol montagneux à haute résolution ;
- pour le second calcul (“Plane”), le nuage est identique mais le sol est plan ;
- pour le troisième calcul (“x8”), le sol est montagneux et le nuage est décrit à avec une résolution spatiale 8 fois supérieure à celle du “Bench”.
Les temps de calculs sont identiques : avec un travail abouti sur la formulation intégrale et une adaptation fine des grilles accélératrices, nos calculs statistiques sont donc bien insensibles au niveau de raffinement de la description à la fois du sol et du nuage.
