WO2006003271A2 - Logiciel de simulation de l'evolution d'un milieu par traitement asynchrone et chaotique en presence d' entites autonomes interagissant en un systeme multi-agents - Google Patents

Logiciel de simulation de l'evolution d'un milieu par traitement asynchrone et chaotique en presence d' entites autonomes interagissant en un systeme multi-agents Download PDF

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WO2006003271A2
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enaction
objects
entities
sequence
medium
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WO2006003271A3 (fr
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Marc Parenthoen
Jacques Tisseau
Thomas Jourdan
Christian Charles
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Cervval
Ecole Nationale D'ingenieurs De Brest
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/10—Numerical modelling

Definitions

  • the invention relates to the computer simulation (or modeling) of the temporal evolution of media objects of physical phenomena, such as liquid, gaseous, solid, particulate and similar media.
  • the modeling of the interactive phenomenological animation of a virtual reality medium is a particularly difficult task, especially when the dimensions of the medium are important and when it must be done in time. real.
  • the invention therefore aims to improve the situation.
  • a software for object simulation of the joint evolution of at least some of the activated objects comprising first so-called “enaction” objects defining spatiotemporal autonomous entities each representative of a physical phenomenon and interacting, when activated, within a multi-agent system (SMA) via second so-called “state” objects defining interaction mediators providing spatio-temporal topological support constituting a virtual environment representative of the medium simulated and making it possible to locate interactions between entities in space and in time (or spatio-temporal), and
  • a simulation manager capable of sequentially working on a selection of enaction objects, and activating each enaction object once during each sequence, in an order varying at least partially randomly in a manner; sequence to another, so as to dynamically evolve sequence after sequence the spatio-temporal interactions between enaction objects.
  • the device according to the invention therefore operates according to an asynchronous mode, since the respective states of the activated objects vary one after the other within each sequence, taking into account the respective states of the other activated objects, and chaotic, because the processing order of each activated object varies randomly from one sequence to another. It is also possible to activate or delete at any time (that is to say in real time) one or more objects, in order to modify the working conditions and / or the simulated system without having to start all over again. simulation, which gives the device a real interactive character.
  • the simulation software may also include enaction objects that define instruments constituting autonomous entities for measuring effects on selected interaction mediators of at least selected physical phenomena (represented by the features) to enable the observation of these physical phenomena in selected places in the middle.
  • Each entity can be defined by first, second and third active objects arranged so as to respectively exercise a first activity intended to create a topology element consisting of at least one interaction mediator, a second an activity for assigning properties to each topology element located in an influence domain of its entity, and a third activity for modifying the behavior of its entity according to the properties of the topology element that it has created, perceived within the milieu and attributed by all the entities that constituted the milieu.
  • each autonomous entity (or enaction object) is preferably associated with an adaptable parameterized behavior model making it possible to define a region of the environment where the properties of the topology element that it has created must be perceived, and every moment in which these properties are to be perceived.
  • each perception moment is defined outside two successive temporal validity domains during which the behavior model of the entity concerned does not require a new perception of the properties of the topology element that it has created to remain physically correct.
  • time domains are preferentially spaced periodically according to a chosen frequency specific to the entity concerned.
  • the simulation software may include a scheduler capable of operating either in a real-time mode, in which it operates according to a chosen frequency, or in a virtual time mode, in which it operates periodically but for periods of time. variables from one period to another.
  • FIG. 1 schematically illustrates an exemplary representation of a phenomenological animation in the form of an organization of autonomous entities
  • FIG. 2 illustrates in the form of a UML diagram an example of a three-level architecture representative of the interactive animation of a liquid medium such as the sea, according to the invention
  • FIG. 3 very schematically illustrates an exemplary representation of autonomous physical entities within a liquid medium such as a portion of a heterogeneous water plane
  • FIG. 4 very schematically illustrates an example; creating a spatio-temporal structure of a liquid medium such as a heterogeneous water body by three independent physical entities, and
  • FIG. 5 very schematically illustrates, in the form of functional blocks, a computer equipped with an exemplary embodiment of a simulation device according to the invention.
  • the attached drawings may not only serve to complete the invention, but also contribute to its definition, if any.
  • the invention relates to a device D dedicated to the simulation of interactive phenomenological animation of a heterogeneous medium in virtual reality.
  • the medium is a body of water, and more specifically a portion of sea.
  • the invention relates to any heterogeneous medium obj and to physical phenomena inducing movements, including on the (sub) atomic or particulate scale. Therefore, the invention applies to liquid media and especially to water bodies, such as the sea, rivers (rivers and streams), lakes and hull basins, solid environments, especially for the analysis of the resistance of materials, and the gaseous media, such as the atmosphere or space.
  • the invention applies to situations in which a heterogeneous medium is the object of a combination (or superposition) of physical phenomena of different natures.
  • the invention relates, for example, to electromagnetic or acoustic wave phenomena, and in particular to electromagnetic or acoustic waves (action and compatibility) and electromagnetic radiation.
  • the device D according to the invention makes it possible, in its application to the sea, to bring together the maritime, oceanographic and infographic points of view, so that the maritime simulation has a meaning for the sailors and remains physically credible to the oceanographers.
  • localized phenomena is understood here to mean physical phenomena such as a wave group, a breaking wave, an interaction between at least two wave groups, an interaction between a wave group and a wave, an interaction between a group of waves wave and wind, an interaction between a wave group and a current, or an interaction between a wave group and a depth.
  • Each modeled phenomenon corresponds to at least one physical model that depends on at least one parameter. It is important to note that each physical phenomenon is modeled independently of other physical models.
  • the device D according to the invention is designed to take account simultaneously for a heterogeneous water body (here a portion of sea, for example about ten square kilometers) of the local effects of physical phenomena, such as breaks, winds, currents or bathymetry, on groups of waves of all wavelengths.
  • a heterogeneous water body here a portion of sea, for example about ten square kilometers
  • physical phenomena such as breaks, winds, currents or bathymetry
  • the device D uses first objects called "d 'enaction' defining autonomous entities modeled from theoretical and experimental results of physical oceanography and interacting in a multi-agent system without passing through a mesh either predefined or adaptive.
  • autonomous entity an entity (or enaction object) such as a Wave Group, an Active Surf, a Passive Surf, a Synoptic Wind, a Local Wind, a Shoal or a Current.
  • the oceanographic models of these physical entities and their interactions are, for example, described in detail in the document by M. Parentho ⁇ n and al. IPAS: Interactive Phenomenological Animation of the Sea, International Journal of Offshore and Polar Engineering, 2004, whose content is hereby incorporated by reference, they will not be described in detail.
  • each enaction object (or autonomous entity) is arranged to operate according to an active approach of perception by specifying "where" and “when” it needs to observe “what”.
  • the activities of the different entities hereinafter called “aisthesis”, structure the spatio-temporal and semantic topology of the environment (here the sea) intended to mediate interaction (through the particles of water which constitute it).
  • Enaction object is more precisely defined in the Thesis of the University of Western Brittany of M. Parentho ⁇ n, whose title is "Phenomenological Animation of the Sea”.
  • visualization of the medium is only an option offered by the device D according to the invention. This results from the fact that a user (or observer) is placed at the same conceptual level as the entities that carry out the animation, and thus constitutes an autonomous entity.
  • the animation of the environment can be done independently of its visualization.
  • the visualization of the sea must specify "where" and “when” to observe “what” according to the phenomena that wants to see the user (or observer) and where he wants to see them, and thus participates in the creation of the spatio structure -temporal and semantic of the medium.
  • a user such as for example a sailor, generally determines his actions according to certain phenomena that he has observed and / or that he knows, either by experience or by means of information received or read.
  • the phenomenological animation of the sea is a multi-model system in which each model results from the description of a phenomenon considered independently of other phenomena.
  • Each model describing a phenomenon must therefore verify a principle of autonomy. In other words, each phenomenon must be "objectified” (or “reified”) into an autonomous entity with sensorimotor and decision-making capabilities of its own.
  • SMA Multi-Agent System
  • each agent is an autonomous entity that has sensorimotor capabilities, and communicates with the environment determined by the other agents.
  • Agents are located in the environment in which they evolve according to their own patterns of behavior, which define their perception, action, and decision capabilities based on internal characteristics and their interactions with the environment.
  • the interactions are mediated by a medium whose spatio-temporal structure is not predefined, but is built as and by the entities themselves.
  • Each entity contributes to the structure by creating an element of topology, according to the needs necessary for its self-adaptation.
  • the set consisting of the different autonomous entities, then assigns properties to each topology element associated with each entity, and each entity adapts its own behavior to the properties that it actually perceives in the environment by means of its associated topology element.
  • each entity or enaction object
  • Each entity is defined by a triplet of active objects whose respective activities (or methods) reflect what it seeks to perceive, its action on the world to be perceived by the set of all the entities, and what it becomes in view of the properties actually perceived in the said world.
  • each autonomous entity (a, b, c, d) is arranged so as to structure the medium by inserting a spatio-temporal topology element.
  • This aptitude of the entities for the structuring of the medium constitutes their first role (or activity), hereinafter called "aisthesis”.
  • the global topology of the environment is defined by the union of the spatio-temporal topology elements of the set of entities.
  • Each autonomous entity (a, b, c, d) is furthermore arranged so as to act according to its own know-how on the global topology by attributing properties to it. This ability of entities to assign to the middle of properties constitutes their second role (or activity), hereinafter called "praxis".
  • Each autonomous entity (a, b, c, d) is finally arranged in such a way as to adapt its own behavior according to the perceived characteristics of the medium, that is to say the properties of the topological element that it has previously created. which are determined by the set of entities.
  • This ability of entities to behavioral adaptation constitutes their third role (or activity), hereinafter referred to as "poiésis”.
  • the medium serves as a mediator of interaction between the different autonomous entities of the organization, which can only live if the autonomous entities that constitute it activate their different roles of perceptual prediction, action on the environment and adaptation to the environment. .
  • FIG. 2 describes, by means of a UML diagram, the architecture enabling the simulation device D, according to the invention, to implement the organization presented above with reference to FIG. 1, in the application at sea state.
  • a first level Nl is dedicated to the scheduling of active object activities.
  • a second level N2 is dedicated to the virtual environment consisting of physical entities presenting the natural phenomena whose interactions are mediated by the medium.
  • a third level N3 is dedicated to the specification of the virtual environment to the animation of the environment (here the sea).
  • the first level N1 also called simulator, comprises a scheduler (or sequencer, or “scheduler") responsible for managing activities that call methods of objects implanted in a module Ml and which will be discussed later.
  • scheduler or sequencer, or "scheduler”
  • the scheduler implements, as will be seen in more detail below, a process of iterations in turn making live the active objects (or entities) constituting the virtual environment.
  • the scheduler performs asynchronous iterations, to respect the autonomy of the entities, and chaotic to not introduce bias in the simulation.
  • the second level N2 is dedicated to natural phenomena and their observation. It makes it possible to constitute the virtual environment from autonomous entities located in the 3D space and in time.
  • the virtual environment feeds the module Ml containing the object methods.
  • Autonomous entities or enaction objects
  • the set of interaction mediators forms what can be called the medium.
  • the purpose of the virtual environment is to solve the topological problems relating to the location of entities and interaction mediators, in order to answer the question "who does where and when?".
  • the natural phenomena that we seek to simulate are chosified (or reified) into physical entities located in the virtual environment and that ensure the physical coherence of the simulation of natural phenomena.
  • the observation of natural phenomena is mediated by a measuring instrument fed by a viewer implanted in the third level N3.
  • each physical entity or enaction object has three particular methods (or activities): the aisthesis for creating interaction mediators gathered in one topology element, the praxis for giving properties to each topology element located in its neighborhood of influence, and the pooiisis to modify the behavior of an entity or to create new entities.
  • instruments may also define instruments to observe phenomena by measuring their effects on interaction mediators, the interaction then being that of the model with the user who can be a mere observer, a sensorially immersed actor, or a modeller by the mediation of the programming language.
  • instruments can have the three methods presented above, but most often their praxis can be neglected.
  • the third level N3 is dedicated to the specification of the virtual environment to the animation of the medium (here the sea). It comprises, firstly, an M2 module defining the different types of physical entities (Wave Group, Surf, Current, Local Wind, Bathymetry, Synoptic (or Wind Synoptic), etc.), a second part, a module M3 defining the water particles and the associated properties (dynamic position, mask, normal, wind, current, depth, turbulence, etc.), a third part, a module M4 defining the mediation medium that is here the sea, and a fourth part the viewer which is a particular entity composed of a large number of specific water particles forming a mesh of the surface of the sea to be observed and to be updated according to a chosen frequency, preferably greater than or equal to 10 Hz, by the physical entities constituting the virtual environment, and in particular by the groups of waves, and texture as a function of the groups of waves, local surges and winds, via the instrument of e measure.
  • an M2 module defining the different types of physical entities
  • this third level N3 which is adapted according to the types of enaction objects (or entities), state objects and interaction mediators concerned.
  • the Groups, the Breaks, the Winds, the Currents and the Bathymetry ensure the oceanographic coherence of the phenomena and their interactions via the properties of the Water Particles (position, normal, wind, current, depth, turbulence, etc.).
  • each autonomous physical entity comes from the reification of a physical phenomenon (observed by sailors). As schematically illustrated in Figure 3, these autonomous entities are located in the virtual environment and have their own behaviors.
  • the behavior model of an autonomous entity is associated with a prediction capability, that is, a temporal validity domain in which the behavior of the entity does not require a new perception of properties. from the middle to stay physically correct.
  • the knowledge of the temporal domain in which the autonomous entity can evolve in autonomy makes it possible to determine the frequency of the acts of perception of this autonomous entity.
  • Each entity thus knows that it will need a given type of localized information in so much time and place, relative to its prediction.
  • Each "Wave group” entity is for example controlled by a wave train giving it mean characteristics (finite extension of the Gaussian envelope in length and width, group velocity, number of waves, wavelength, period , horizontal ridge profile, phase velocity, age of the group), plus local phase and amplitude disturbances attached to the crests of the waves flowing through it, in order to model the nonlinear aspects of the waves.
  • the wave train may be a 2D Morlet wavelet whose envelope moves at the group velocity and whose phase of the sinusoidal layer progresses at the phase velocity.
  • the Morlet 2D wavelet is one of the mathematical tools used by the simulation software (which will be discussed later with reference to FIG. 5) and in particular by its interaction mediators (water particles).
  • the Wave Group is sensitive to other autonomous entities such as Breaks, Currents, Winds, Bathymetry and other Wave Groups.
  • Wave Groups Since a Wave Group must be able to perform action transfers to the Breaks, its predictive domain can not exceed the lifetime of a Surf (the other phenomena being observable at a lower frequency).
  • the good marine or physical sense making it possible to estimate at approximately one second the minimum life span of wave surges of more than one meter of wavelength, it is possible for example to fix at one second the capacity of anticipation of the model.
  • Wave groups In this case, the Wave Groups are responsible for asynchronously activating their perceptual behavior at a frequency of 1 Hz, in order to know the evolution of the effects of the Surf, Wind, Currents and Bathymetry on the properties of the middle to perceive.
  • Paisthesis of each Wave Group is responsible for creating each second a topology element, for example consisting of five points distributed in its envelope (defining its spatial extension), whose position is anticipated by one second.
  • Each deferment preferably occupies a surface of the observed body of water, which is composed of contiguous elementary zones, for example 1 m 2 .
  • Each zone may be associated with an active or passive phase of the Surf, depending on whether or not it belongs to the active front of this Surf.
  • a process of manufacture of foam and turbulence can be implemented according to the local activity of the Surf (the word “activity” must here be understood in its physical sense of "rate of production” and not not in the computer sense), while in each passive zone a process of relaxation of the foam and turbulence can be implemented.
  • the propagation of the active front of a Surf is a very dynamic process, influenced by the Waves and the Winds, one can for example update the activity of the active zones (here of 1 m 2 ) at least twice a second.
  • the dissipation of the moss and turbulence is much easier to predict (because it is sensitive only to the currents that transport them and to the winds that direct them in trails of foam), and the evolution of the winds. and Currents being quite slow, we can for example update the dissipation every 10 seconds.
  • the Breaks activate their perceptual behavior at a frequency of 2 Hz on their active fronts in order to know the effects of the groups (waves) and the Winds, and at a frequency of 0.1 Hz for their relaxation zones so to know the effects of Currents and Winds.
  • the aisthesis of each Surf, participating in the virtual environment is thus responsible for creating, on the one hand every half-second for its active front, a topology element consisting of particles of the active zones in order to to change the activity and to determine the end of the activity of each active zone, to which are added particles located in front of the active front and anticipating the spread of the surf; and on the other hand every ten seconds additional particles in the passive areas.
  • Synoptic or Wind Synoptic
  • Local Winds evolve continuously over time in force and / or in direction, but the influence of the Synoptic is global on the entirety of the observed body of water, on which it can create Wave groups, while the local Wind does not participate in wave group creation and has a finite extension envelope that can move and transform itself.
  • These entities preferably modeled by descriptive models that are insensitive to the environment, have no real need for perception. This is also the case, as a first approximation, of the Currents and the Bathymetry because their parameters evolve exclusively with time
  • the physical entities thus participate in the creation of the spatio-temporal structure of the environment and evolve there autonomously between two acts of perception.
  • An act of perception is here characterized by a perceptive anticipation ("where and when will I need what?") That precedes the observation of the properties of the environment, from which the entity concerned adapts its behavior.
  • the interactions between the entities are then mediated by the medium they created and to which each entity contributes to give properties.
  • the virtual sea computing model is a heterogeneous multi-agent system (or SMA) composed of interacting physical entities.
  • SMA multi-agent system
  • Each autonomous entity is located in the virtual environment and has its own behavior, resulting from the reification of a physical phenomenon observed by the sailors (Wave group (s), Surf (s), (Wind) Synoptic, Winds Local, Shoals, Currents, etc.).
  • the behavior model of each entity is characterized by the predictive ability of what should ideally be the behavior of the entity, which corresponds to the frequency with which the entity must perceive its environment to adapt to the changes in the behavior of the entity. middle.
  • the physical entities thus ensure the oceanographic coherence of the phenomena by interactions based on the characteristics of the water particles (interaction mediators). These characteristics include the reference position, the dynamic position (updated by the physical entity Wave group), the normal (updated by the physical entity Wave group), the wind (set to day by the physical entities Synoptic Wind and Local Winds), the current (updated by the current physical entity), the depth (updated by the physical entity Bathymetry) and the thickness of the turbulence (updated by the physical entity Surf).
  • the Water Particle is the interaction mediator for the phenomenological simulation of the water body (here the sea). It constitutes a topological support, called reference position in space - time. This reference position constitutes a point M (O 3 X 0 ) of the space (where X 0 is a vector), associated with a given time t 0 . These are the reference positions in space-time that are specified by the activities of active perception of the autonomous entities during the creation of the spatio ⁇ temporal structure of the environment (the Sea).
  • the Sea knowing the Water Particles, arranges them as and when they are created in ascending order of the times t 0 during which the entities anticipate the observation of the properties.
  • An entity acts on a temporally located particle at time t Q only if this instant is in the domain of prediction validity of the model of the entity, that is to say between two perceptive acts.
  • the entity that creates this water particle specifies what type (s) of property it needs using a mask.
  • the physical entities whose praxis influences a type of property are made to act, which makes it possible to simplify the complexity of the resolution of the topological relations between the entities and the interaction mediators by a first semantic rather than geometric selection.
  • a water particle can have many properties, such as its dynamic position around the reference position M (O 5 X 0 ), its speed relative to the sea, its normal to the sea surface, the list of Groups of waves that influence it, the Wind, the Current, the Depth, the thickness of the turbulences, and the list of waves and associated activities.
  • wave group entities may act in a particulate pattern, possibly inspired by that described in the FJ document. Gerstner
  • each water particle is located on the sea and in time by a reference position and has properties updated according to the praxis of the physical entities that influence it.
  • the activity of praxis is determined by the environment Mer, which knows the positions of the Water Particles and the entities at each moment, by solving the neighborhood relations between the said Water Particles and entities.
  • These water particles then serve as interaction mediators because their properties, derived from the influence of all the entities present, are used by each physical entity to adapt its own behavior.
  • the set of Water Particles is created by the entities as they interact. This set is in perpetual evolution over time, both by the number of water particles and by their positions in space, and forms the environment in which the entities interact.
  • FIG. 4 shows a schematic example of the creation of a spatio-temporal structure of the sea medium by three entities (two wave groups and a breakup), by means of their aisthesis.
  • the constitutive water particles of the medium are represented by circles with patterns.
  • the entity Surf (deferl (t 0 )) provides for needing, on the one hand, in 0.5 seconds (ie t o + O, 5) of Particle properties. of water on its active front ZA and in front of it in its direction of propagation, and secondly in 10 seconds (ie t o + l ⁇ ) of properties of the medium in its passive zone ZP (materialized by small points).
  • the first wave group (group ⁇ t j )) predicts that it needs properties at the position (Gl_estim) where it is supposed to be in 1 second (ie tj + 1). He then creates five particles of water for the moment X x + ⁇ .
  • the second Wave Group (group_2 (t 2 )) predicts that it needs properties at the position (G2_estim) where it is supposed to to be within 1 second (ie t 2 + l). He then creates five water particles for the moment t 2 + l.
  • the device according to the invention D makes it possible to change physical phenomena characterizing a medium (here the sea) without necessarily having to look at said medium.
  • the device D makes it possible to simulate some of the physical phenomena inherent in the surface of the sea independently of their visualization, of course except for the fact that the modeled phenomena depend on what we are trying to perceive.
  • the visualization of the environment indeed requires to consider the user as one of the active elements of the model.
  • the Viewer must therefore be an autonomous entity participating in the organization, immersed in the virtual environment through the mediation of a man / machine interface. Therefore, the user must specify the spatio-temporal structure of the environment he wants to observe certain properties ("where and when I look what?"). According to what he perceives, the user decides on the next places where he wishes to observe selected phenomena. This approach is the same as that implemented by the autonomous entities populating the virtual environment, which consists of performing an active perception (or aisthesis).
  • Minimal immersion is visual and rendered by the image of a virtual camera, for example.
  • An interaction with the virtual camera can be envisaged, for example by means of the control keyboard and / or the mouse.
  • the camera can be attached to a fixed or moving object, such as a boat, on which an observer is possibly located (or immersed).
  • the animation (here of the surface of the Sea) is done according to a perception model defined by a frequency higher than 10 Hz and a textured geometry, structured in a mesh whose points are distributed respecting a certain distribution of spatial probability.
  • the Sea can be instrumented by the Visualizer entity (of the third level N3 of the architecture of Figure 2). As indicated previously, the Visualizer entity (of the third level N3 of the architecture of Figure 2).
  • Visualizer is indeed in charge of structuring the environment (here the Sea) according to the perception model and to recover the relevant properties for the visualization of the surface of the Sea.
  • the projection of the properties observed by the Visualizer entity then makes it possible to reveal the Sea on the display monitor of the man / machine interface.
  • a Viewer entity represents a couple (geometry, camera). It is assumed in the following that the number of points constituting the geometry is fixed (it depends on the power of the computer equipment supporting the simulation device D), and that the topology of their respective neighborhoods is conserved over time.
  • the positions of the points of the geometry are preferentially generated respecting a probability distribution fixed by the perception model associated with the Visualizer.
  • the mesh is for example defined according to a so-called static Delaunay triangulation performed during the initialization on positions of the default points. Such a triangulation is notably described in the document by MJ. Castro et al "New progress in anisotropic grid adaptation and viscious inviscid flow simulation," Technical Report 2671, INRIA May 1995.
  • the topological structure of the geometry is preferentially static so as not to have to triangulate on the fly. But, one can also consider dynamically changing the grid of the topological structure, at the positions of the points that define it, for example by means of transformations retaining the structural topology other than simple translations, rotations or homothéties. For this purpose, it is possible, for example, to use projections of the type described in the aforementioned document by D. Hinsinger in order to adapt the representation of the details of the movement of the sea to the point of view of the camera.
  • the aisthesis activity of the Visualiser consists in structuring the medium (here the Sea) by generating, for example every tenth of a second at least, the element of topology whose Associated water particles have as positions of reference the positions of the points of the grid determined by the perception model of the Visualizer.
  • the construction of the image requires the knowledge at each point, a first part of the dynamic position and the normal to reconstruct the surface of the Sea, a second part of the thickness of the turbulence to represent the passive foam, a third part of the activity of the Breakthroughs to allow the regulation of the flow of a system of Water Particles (which is a graphical object which can be very resource-consuming, and which is not this fact instantiated that if its position places it in a zone of perceptual attention specified by the visualizer's perception model), a fourth part of the Wind to allow the parameterization of the divergence of the generator of Water Particles and the texture of the wavelets (for example with a "bump-mapping" of the type described in the document by J.
  • the set of Water Particles constituting the topological element of a Visualizer is generally too important for the physical entities that influence the grid to solve the topology problems of their praxis without resorting to a specific method. Since the spatial distribution of reference points is not regular, a simple box-based method is not efficient enough to solve these problems.
  • the manufacture of the tree is preferably carried out during the initialization of the geometry, substantially at the same time. that triangulation.
  • the Visualizer entity thus makes it possible to give a spatio-temporal structure in the middle (here the Sea), dedicated to the human perception and giving access to the properties necessary for the visualization of the Sea by revelation by means of the display monitor.
  • the revelation of the Sea corresponds to the development of the photographs of the praxis of the physical entities that populate it, as taken by the Visualizer entity. This revelation depends mainly on the characteristics of the display monitor graphics card and the fineness of the geometric mesh grain.
  • a graphics card supporting, for example, a "Vertex and Pixel Shader” version 2.0, such as the Nvidia GeForce FX card, as well as a working main processor. at 1.4 GHz, such as the Intel Pentium IV processor. Only a few megabytes are then used in RAM by the program, and the initialization (triangulation, etc.) typically takes about fifteen seconds.
  • a body of water of about 4 Km 2 can be covered with about 8000 interacting physical entities and the geometric grid can be composed of 6000 points.
  • the complexity of the physical simulation of the oceanographic phenomena in interaction is then, from the point of view of the CPU, of the same order of magnitude as that of the animation of the geometric grid.
  • FIG. 5 describes an example of a simulation device according to the invention D, of asynchronous and chaotic type, as mentioned above, capable of implementing the architecture presented above with reference to FIG. .
  • the device D can be installed in a computer C comprising an operating system
  • OS and CPU processing and calculation means suitable for operation in a multi-tasking mode such as that offered by the oRis environment described in particular in the document "Multi-agent systems", pages 499 to 524, RSTI - TSI , 21/2002.
  • a multi-tasking environment is particularly well suited to programming by activated objects, for example in C ++ or Java language.
  • the multi-task environment oRis is coupled, like the device D which is illustrated, to a compiler (here called “object programming compiler”).
  • the oRis environment can be coupled, like the D device that is illustrated, to a C ++ language translator (here called "obj and interpreting interpreter”) in order to improve its efficiency by compiling.
  • This interpreter can even be adapted to form an online compiler in which the code executed is an online compiled and dynamically modifiable code.
  • Such a multi-task environment, constituting an oRis evolution is known as AReVi.
  • the device D comprises a software for simulating the joint evolution of activated objects (here called "general simulator”). More precisely, this simulation software (or general simulator) comprises the (first) so-called enaction objects and the (second) so-called state objects.
  • the simulation software (or general simulator) also comprises a simulation manager coupled to state objects and enaction objects (or entities) and arranged to create its own scheduler (or in English "scheduler") to work sequentially on a selection of objects of enaction.
  • the simulation manager calculates interactions once the environment (here the Sea), which makes the enaction objects (or entities) live, has solved the topological problems.
  • the simulation manager is specifically responsible for activating a single time during each sequence, under the control of the sequencer (or scheduler) it creates for the occasion, each enaction object selected, in an order that varies from at least partially at random from one sequence to another, in order to apply each of its three activities to the current state of each state object that it designates so as to change its state to a new one. current state, or in other words in order to dynamically evolve sequence after sequence the spatio-temporal interactions between entities.
  • the user first chooses one or more enaction objects, so that the device D simulates the spatio-temporal evolution of the system. This "pre-activates" each enaction object chosen within the simulation software.
  • the simulation manager initializes a sequence counter by setting the counter's value n to 1, and creates a list of enaction objects.
  • the simulation manager performs a test to determine if there are still other enaction objects to apply in the enaction object list of the current sequence.
  • the simulation manager performs a new selection phase to randomly select one of the remaining enaction objects. As indicated above, it then activates this new selected enaction object and applies each of its activities to the current state of each state object, possibly modified by the activation of the previous enaction object (which can not be used in the current sequence).
  • the simulation manager increments the current value n of the sequence counter by one. Of course, it performs a test on the number of sequences to perform. If the number of sequences performed is equal to the maximum number expected, the simulation manager terminates the simulation. On the other hand, if there remains at least one sequence to be performed, the simulation manager performs a new sequence corresponding to an instant T + 1, T + 2, ..., T + n. He then repeats the above operations at each new sequence.
  • the duration of the simulation, and therefore the maximum number of sequences performed by the simulation manager depends on the application concerned, or the setting chosen by the user given the application. But, the simulation can be interrupted at any time by the user using a stop instruction transmitted to the simulation software through a man / machine interface of the computer C. It is important to note that simulation interrupted at the request of a user may be resumed later ⁇ ment. It is important to note that the sequencer (or scheduler) can operate in virtual time, or in other words that its operation is not constrained to respect the real time, but each of its iterations represents logically, and not physically, a duration of one millisecond (1 ms). Of course, the sequencer can also operate in real time. In this case, each of its iterations physically lasts a chosen period.
  • the user can at any time intervene in a simulation, either in the form of an "avatar" to interact with the object of the simulation, by example the middle, either to add to its selection or to remove from its selection one or more enaction objects.
  • the user may also decide to modify at least partially the definition (or structure) of one or more enaction objects. This gives the simulation software great interactivity.
  • the invention has many applications in many technical fields, and particularly in the fields of navigation assistance, naval architecture (for example for the behavioral study of a boat or a platform). offshore form, replacing and / or in addition to hull basins), the study of the resistance of materials or wave phenomena (electromagnetic or acoustic).
  • naval architecture for example for the behavioral study of a boat or a platform.
  • offshore form replacing and / or in addition to hull basins
  • the study of the resistance of materials or wave phenomena electromagagnetic or acoustic.
  • a possible application is the modeling of the conjugated interactions between a ship, radar waves and the sea in the case of the detection and / or recognition of an object.
  • the heterogeneous medium was the subject of physical phenomena of the same nature.
  • the invention also relates to applications in which the heterogeneous medium is the object of a combination (or superposition) of physical phenomena of different natures.

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Abstract

Un ordinateur, supportant en mode mufti-tâches une programmation par objets activés, héberge un dispositif (D) de simulation de l'évolution temporelle d'un milieu. Ce dispositif (D) comprend un logiciel dédié à la simulation par objets de l'évolution conjointe de certains objets activés, comportant des objets dits 'd'énaction' définissant des entités autonomes spatio-temporelles représentatives chacune d'un phénomène physique et interagissant, en cas d'activation, au sein d'un système multi-agents via des objets d'état définissant des médiateurs d'interaction offrant un support topologique spatio-temporel constituant un environnement virtuel représentatif du milieu simulé et permettant de localiser des interactions entre entités dans l'espace et dans le temps, et ii) un gestionnaire de simulation capable de travailler par séquences sur une sélection d'objets d'énaction, et d'activer chaque objet d'énaction une unique fois lors de chaque séquence, selon un ordre variant de façon au moins partiellement aléatoire d'une séquence à l'autre, afin de faire évoluer dynamiquement séquence après séquence les interactions spatio-temporelles entre objets d'énaction.

Description

DISPOSITIF DE SIMULATION DE L'ÉVOLUTION D'UN MILIEU PAR TRAITEMENT ASYNCHRONE ET CHAOTIQUE, EN PRÉSENCE D'ENTITÉS AUTONOMES INTERAGISSANT EN UN SYSTÈME MULTI-AGENTS
L'invention concerne la simulation (ou modélisation) informatique de l'évolution temporelle de milieux objets de phénomènes physiques, comme par exemple des milieux liquides, gazeux, solides, particulaires et analogues.
Comme le sait l'homme de l'art, la modélisation de l'animation phénoménologique interactive d'un milieu en réalité virtuelle est une tâche particulièrement difficile, en particulier lorsque les dimensions du milieu sont importantes et lorsqu'elle doit se faire en temps réel.
Par exemple, dans le cas d'un milieu liquide tel que la mer, cette difficulté résulte principalement du fait que plusieurs points de vue doivent être simultanément réunis. Plus précisément, la modélisation nécessite la réunion des points de vue maritime, océanogra- phique et infographique. Les marins utilisent en effet un vocabulaire spécifique pour décrire la mer comme un milieu (plan d'eau) hétérogène sur lequel ils observent des phénomènes localisés qui leur permettent de guider leurs stratégies de navigation. De leur côté les océanographes et les ingénieurs modélisent les phénomènes sous la forme d'un système complexe au sein duquel de nombreux modèles se superposent.
Afin de modéliser les phénomènes physiques, les infographistes utilisent des modèles infographiques reposant généralement sur des équations différentielles, comme par exemple celles deNavier-Stokes. Or, la complexité algorithmique de la résolution numérique directe de ces équations différentielles ne permet pas T animation de milieux de dimensions relativement importantes par rapport aux dimensions de ses constituants (par exemple plusieurs kilomètres carrés dans le cas d'un plan d'eau). Par ailleurs, la résolution de telles équations différentielles nécessite des conditions aux limites initiales qui les rend impropres à l'interactivité. En l'absence de solution analytique, la simulation informatique doit alors s'appuyer sur des méthodes itératives (dites particulaire ou spectrale), qui passent d'un état courant du système considéré à un état suivant de ce même système. Chaque système est généralement décomposé en sous-systèmes ou mailles dont les évolutions respectives sont calculées en parallèle, de façon synchrone. Par conséquent, l'état du système à l'instant T+l résulte de l'application en parallèle des phénomènes sélectionnés à l'état de chaque maille à l'instant T, sans se préoccuper des conséquences que cela peut induire entre mailles.
Il a certes été proposé (par exemple dans le document de D. Hinsinger et al "Interactive animation of océan waves", Symposium on Computer Animation (SCA), p.161 - 166, 2002, et dans le document de S. Thon "Océan waves synthesis using a spectrum-based turbulence fonction", IEEE-Computer Graphics International (CGI), p.65-74, Suisse, 2000, IEEE Computer Society) de combiner les méthodes itératives particulaire et spectrale, en mettant en oeuvre des résolutions numériques locales directes des équations différentielles (de Navier-Stockes). Mais, cette combinaison ne permet toujours pas de tenir compte simultanément pour un milieu hétérogène des effets locaux induits par de nombreux phénomènes lorsque les dimensions du milieu sont grandes à l'échelle de ses constituants. Par exemple, dans le cas d'un plan d'eau tel que la mer, il n'est toujours pas possible de tenir compte simultanément des effets locaux induits, sur une ou plusieurs dizaines de kilomètres carrés, par des phénomènes, tels que des déferlements, un vent, des courants et la bathymétrie, sur des groupes de vagues de toutes les longueurs d'onde, lesquels sont essentiels pour que la simulation ait un sens pour les marins et demeure physiquement crédible pour les océanographes.
L'invention a donc pour but d'améliorer la situation.
Elle propose à cet effet un dispositif de simulation de l'évolution temporelle d'un milieu, propre à être implanté dans un ordinateur capable de supporter en mode multi-tâches une programmation par objets activés.
Ce dispositif se caractérise par le fait qu'il comprend :
- un logiciel de simulation par objets de l'évolution conjointe de certains au moins des objets activés, comportant des premiers objets dits "d'énaction" définissant des entités autonomes spatio-temporelles représentatives chacune d'un phénomène physique et interagissant, en cas d'activation, au sein d'un système multi-agents (SMA) via des seconds objets dits "d'état" définissant des médiateurs d'interaction offrant un support topologique spatio-temporel constituant un environnement virtuel représentatif du milieu simulé et permettant de localiser des interactions entre entités dans l'espace et dans le temps (ou spatio-temporelles), et
- un gestionnaire de simulation capable de travailler par séquences sur une sélection d'objets d'énaction, et d'activer chaque objet d'énaction une unique fois lors de chaque séquence, selon un ordre variant de façon au moins partiellement aléatoire d'une séquence à l'autre, de manière à faire évoluer dynamiquement séquence après séquence les interactions spatio- temporelles entre objets d'énaction.
Le dispositif selon l'invention fonctionne donc selon un mode asynchrone, du fait que les états respectifs des objets activés varient les uns après les autres au sein de chaque séquence, compte tenu des états respectifs des autres objets activés, et chaotique, du fait que l'ordre de traitement de chaque objet activé varie de façon aléatoire d'une séquence à l'autre. Il est en outre possible d'activer ou supprimer à tout moment (c'est-à-dire en temps réel) un ou plusieurs objets, afin de modifier les conditions de travail et/ou le système simulé sans qu'il faille recommencer intégralement la simulation, ce qui confère au dispositif un véritable caractère interactif.
Le logiciel de simulation peut également comprendre des objets d'énaction qui définissent des instruments constituant des entités autonomes chargées de mesurer les effets sur des médiateurs d'interaction choisis de certains au moins des phénomènes physiques choisis (représentés par les entités), afin de permettre l'observation de ces phénomènes physiques en des endroits choisis du milieu.
Chaque entité (ou objet d'énaction) peut être définie par des premier, deuxième et troisième objets actifs agencés de manière à exercer respectivement une première activité destinée à créer un élément de topologie constitué d'au moins un médiateur d'interaction, une deuxième activité destinée à attribuer des propriétés à chaque élément de topologie situé dans un domaine d'influence de son entité, et une troisième activité destinée à modifier le comportement de son entité en fonction des propriétés de l'élément de topologie qu'elle a créé, perçues au sein du milieu et attribuées par l'ensemble des entités ayant constitué le milieu. Dans ce cas, chaque entité autonome (ou objet d'énaction) est préférentiellement associée à un modèle de comportement paramétré adaptable permettant de définir une région du milieu où doivent être perçues les propriétés de l'élément de topologie qu'elle a créé, et chaque instant au cours duquel ces propriétés doivent être perçues.
Par exemple, chaque instant de perception est défini en dehors de deux domaines de validité temporels successifs pendant lesquels le modèle de comportement de l'entité concernée ne nécessite pas de nouvelle perception des propriétés de l'élément de topologie qu'elle a créé pour rester physiquement correct.
Ces domaines temporels sont préférentiellement espacés périodiquement selon une fréquence choisie propre à l'entité concernée.
Par ailleurs, le logiciel de simulation peut comporter un ordonnanceur capable de fonctionner soit selon un mode en temps réel, dans lequel il fonctionne selon une fréquence choisie, soit selon un mode en temps virtuel, dans lequel il fonctionne de façon périodique mais pendant des durées variables d'une période à l'autre.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 illustre de façon schématique un exemple de représentation d'une animation phénoménologique sous la forme d'une organisation d'entités autonomes,
- la figure 2 illustre sous la forme d'un diagramme UML un exemple d'architecture à trois niveaux représentative de l'animation interactive d'un milieu liquide tel que la mer, selon l'invention,
- la figure 3 illustre de façon très schématique un exemple de représentation d'entités physiques autonomes au sein d'un milieu liquide tel qu'une portion d'un plan d'eau hétérogène, - la figure 4 illustre de façon très schématique un exemple de création d'une structure spatio-temporelle d'un milieu liquide tel qu'un plan d'eau hétérogène par trois entités physiques autonomes, et
- la figure 5 illustre de façon très schématique, sous la forme de blocs fonctionnels, un ordinateur équipé d'un exemple de réalisation d'un dispositif de simulation selon l'invention. Les dessins annexés pourront non seulement servir à compléter l'invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.
L'invention concerne un dispositif D dédié à la simulation de l'animation phénoménolo¬ gique interactive d'un milieu hétérogène en réalité virtuelle.
Dans la description qui suit, on considère, à titre d'exemple non limitatif, que le milieu est un plan d'eau, et plus précisément une portion de mer.
Mais, 1 ' invention concerne tout milieu hétérogène obj et de phénomènes physiques induisant des mouvements, y compris à l'échelle (sub-)atomique ou particulaire. Par conséquent, l'invention s'applique aux milieux liquides et notamment aux plans d'eau, tels que la mer, les cours d'eau (rivières et fleuves), les lacs et les bassins de carène, aux milieux solides, en particulier pour l'analyse de la résistance des matériaux, et aux milieux gazeux, comme par exemple l'atmosphère ou l'espace.
En outre, l'invention s'applique aux situations dans lesquelles un milieu hétérogène est l'objet d'une combinaison (ou superposition) de phénomènes physiques de natures différentes. Ainsi, l'invention concerne par exemple les phénomènes ondulatoires électromagnétiques ou acoustiques, et notamment les ondes électromagnétiques ou acoustiques (action et compatibilité) et le rayonnement électromagnétique.
Le dispositif D selon l'invention permet, dans son application à la mer, de réunir les points de vue maritime, océanographique et infographique, de sorte que la simulation maritime ait un sens pour les marins et reste physiquement crédible aux yeux des océanographes.
Les marins utilisent en effet un vocabulaire spécifique pour décrire la mer comme un plan d'eau hétérogène sur lequel ils observent des phénomènes localisés qui vont guider leurs stratégies de navigation, tandis que les océanographes modélisent les phénomènes sous la forme d'un système complexe au sein duquel de nombreux modèles se superposent.
On entend ici par "phénomènes localisés" des phénomènes physiques tels qu'un groupe de vagues, un déferlement, une interaction entre au moins deux groupes de vagues, une interaction entre un groupe de vague et un déferlement, une interaction entre un groupe de vague et un vent, une interaction entre un groupe de vague et un courant, ou une interaction entre un groupe de vague et une profondeur.
A chaque phénomène modélisé correspond au moins un modèle physique dépendant d'au moins un paramètre. Il est important de noter que chaque phénomène physique est modélisé indépendamment des autres modèles physiques.
Dans le tableau ci-dessous se trouvent regroupés, à titre d'exemple non limitatif, les principaux phénomènes physiques utilisés par les marins, en correspondance des modèles physiques utilisés en océanographie physique et des paramètres associés :
Figure imgf000008_0001
Figure imgf000009_0001
Une correspondance plus détaillée des vocabulaires utilisés respectivement par les marins, les océanographes et les infographistes, peut par exemple être trouvée dans le document de M. Parenthoën et al "Les états de mer : un état de l'art ; le marin, l'océanographe et l'infographiste, Actes des 16ème journées de l'AFIG, p.129-140, Université de Paris VIII, 2003.
Le dispositif D selon l'invention est agencé pour tenir compte simultanément pour un plan d'eau hétérogène (ici une portion de mer, par exemple d'une dizaine de kilomètres carrés) des effets locaux de phénomènes physiques, tels que les déferlements, le vent, les courants ou la bathymétrie, sur des groupes de vagues de toutes les longueurs d'onde.
Pour ce faire, et contrairement aux dispositifs de simulation de l'art antérieur reposant sur la résolution numérique d'équations différentielles de type Navier-Stokes sur un maillage prédéfini ou adaptatif, le dispositif D selon l'invention utilise des premiers objets dits "d'énaction" définissant des entités autonomes modélisées à partir de résultats théoriques et expérimentaux de l'océanographie physique et interagissant en un système multi-agents sans passer par un maillage ni prédéfini, ni adaptatif. On entend ici par "entité autonome" une entité (ou objet d'énaction) telle qu'un Groupe de vagues, un Déferlement actif, un Déferlement passif, un (Vent) Synoptique, un Vent local, un Haut-fond ou un Courant. Les modèles océanographiques de ces entités physiques et de leurs interactions étant, par exemple, décrits en détail dans le document de M. Parenthoën et al "IPAS : Interactive Phenomenological Animation of the Sea, International Journal of Offshore and Polar Engineering, 2004, dont le contenu est ici incorporé par référence, ils ne seront donc pas décrits en détail.
D'une façon simplifiée, chaque objet d'énaction (ou entité autonome) est agencé de manière à fonctionner selon une démarche active de perception en précisant "où" et "quand" elle a besoin d'observer "quoi". Les activités des différentes entités, que l'on appelle ci-après "aisthesis" structurent la topologie spatio-temporelle et sémantique du milieu (ici la mer) destiné à servir de médiateur d'interaction (par le biais des Particules d'eau qui le constituent).
Chaque entité autonome agit sur le milieu créé en fonction de ses savoir-faire, et s'adapte aux propriétés qu'elle perçoit activement en modifiant les paramètres de son propre comportement. C'est la raison pour laquelle une entité autonome est ici appelée objet d'énaction. L'énaction est plus précisément définie dans la Thèse de l'Université de Bretagne Occidentale de M. Parenthoën, dont le titre est "Animation phénoménologique de la mer".
Il est important de noter, comme on le verra en détail plus loin, que la visualisation du milieu (ici la mer) n'est qu'une option offerte par le dispositif D selon l'invention. Cela résulte du fait qu'un utilisateur (ou observateur) se trouve placé au même niveau conceptuel que les entités qui réalisent l'animation, et constitue de ce fait une entité autonome. En d'autres termes, l'animation du milieu (ici la mer) peut se faire indépendamment de sa visualisation. La visualisation de la mer doit donc spécifier "où" et "quand" observer "quoi" en fonction des phénomènes que veut voir l'utilisateur (ou observateur) et où il veut les voir, et participe ainsi à la création de la structure spatio-temporelle et sémantique du milieu.
Le modèle de mer, implémenté comme un système multi-agents interagissant via la médiation d'un milieu généré par les entités autonomes, va maintenant être décrit en détail. Un utilisateur, comme par exemple un marin, détermine généralement ses actions en fonction de certains phénomènes qu'il a observés et/ou qu'il connaît, soit par expérience, soit par le biais d'informations reçues ou lues.
Selon l'invention, l'animation phénoménologique de la mer est un système multi-modèles dans lequel chaque modèle résulte de la description d'un phénomène considéré indépendam¬ ment des autres phénomènes. Chaque modèle décrivant un phénomène doit donc vérifier un principe d'autonomie. En d'autres termes chaque phénomène doit être "chosifié" (ou "réifié") en une entité autonome possédant des capacités sensorimotrices et décisionnelles qui lui sont propres.
L'ensemble des entités autonomes, dont l'utilisateur (ou observateur), interagit en un Système Multi-Agents (SMA), tel que défini par exemple dans le document de J. Ferber "Les systèmes multi-agents : un aperçu général", Technique et Science Informatique, 16(8), p.979-1012, 1997.
Dans un tel SMA chaque agent constitue une entité autonome qui possède des capacités sensorimotrices, et communique avec l'environnement déterminé par les autres agents. Les agents sont situés dans l'environnement dans lequel ils évoluent selon leurs propres modèles de comportement, lesquels définissent leurs capacités de perception, d' action et de décision en fonction de caractéristiques internes et de leurs interactions avec l'environnement.
Les interactions sont médiatisées par un milieu dont la structure spatio-temporelle n'est pas prédéfinie, mais est construite au fur et à mesure par les entités elles-mêmes. Chaque entité contribue donc à la structure en créant un élément de topologie, en fonction des besoins nécessaires à son auto-adaptation. L'ensemble, constitué des différentes entités autonomes, affecte alors des propriétés à chaque élément de topologie associé à chaque entité, et chaque entité adapte son propre comportement aux propriétés qu'elle perçoit effectivement dans l'environnement au moyen de son élément de topologie associé. Un exemple schématique d'organisation des entités, réalisant la simulation physique des phénomènes, est illustré sur la figure 1.
Plus précisément, dans l'exemple illustré sur la figure 1, "a", "b", "c" et "d" désignent des entités autonomes de l'organisation. Chaque entité (ou objet d'énaction) est définie par un triplet d'objets actifs dont les activités (ou méthodes) respectives traduisent ce qu'elle cherche à percevoir, son action sur le monde à percevoir par l'ensemble de toutes les entités, et ce qu'elle devient compte tenu des propriétés effectivement perçues dans ledit monde.
Par ailleurs, comme indiqué précédemment chaque entité autonome (a, b, c, d) est agencée de manière à structurer le milieu en lui insérant un élément de topologie spatio-temporelle. Cette aptitude des entités à la structuration du milieu constitue leur premier rôle (ou activité), appelé ci-après "aisthesis".
La topologie globale du milieu est définie par la réunion des éléments de topologie spatio- temporelle de l'ensemble des entités.
Chaque entité autonome (a, b, c, d) est en outre agencée de manière à agir en fonction de ses propres savoir-faire sur la topologie globale en lui attribuant des propriétés. Cette aptitude des entités à l'attribution au milieu de propriétés constitue leur deuxième rôle (ou activité), appelé ci-après "praxis".
Chaque entité autonome (a, b, c, d) est enfin agencée de manière à adapter son propre comportement en fonction des caractéristiques perçues du milieu, c'est-à-dire des propriétés de l'élément topologique qu'elle a préalablement créé, lesquelles sont déterminées par l'ensemble des entités. Cette aptitude des entités à l'adaptation comportementale constitue leur troisième rôle (ou activité), appelé ci-après "poiésis".
Le milieu sert de médiateur d'interaction entre les différentes entités autonomes de l'organisation, laquelle ne peut vivre que si les entités autonomes qui la constituent activent leurs différents rôles de prédiction perceptive, d'action sur le milieu et d'adaptation au milieu.
On se réfère maintenant à la figure 2 pour décrire, au moyen d'un diagramme UML, l'architecture permettant au dispositif de simulation D, selon l'invention, de mettre en oeuvre l'organisation présentée ci-avant en référence à la figure 1 , dans l'application à l'état de mer.
L'architecture illustrée se décompose en trois niveaux. Un premier niveau Nl est dédié à l'ordonnancement des activités d'objets actifs. Un deuxième niveau N2 est dédié à l'environnement virtuel constitué d'entités physiques présentant les phénomènes naturels dont les interactions sont médiatisées par le milieu. Un troisième niveau N3 est dédié à la spécification de l'environnement virtuel à l'animation du milieu (ici la mer).
Le premier niveau Nl, également appelé simulateur, comprend un ordonnanceur (ou séquenceur, ou encore "scheduler") chargé de gérer des activités qui appellent des méthodes d'objets implantées dans un module Ml et sur lesquelles on reviendra plus loin.
L'ordonnanceur met en oeuvre, comme on le verra plus en détail plus loin, un processus d'itérations faisant vivre à tour de rôle les objets actifs (ou entités) constitutifs de l'environnement virtuel. L'ordonnanceur effectue des itérations asynchrones, afin de respecter l'autonomie des entités, et chaotiques pour ne pas introduire de biais dans la simulation.
Le deuxième niveau N2 est dédié aux phénomènes naturels et à leur observation. Il permet de constituer l'environnement virtuel à partir d'entités autonomes situées dans l'espace 3D et dans le temps. L'environnement virtuel alimente le module Ml comportant les méthodes d'objets. Les entités autonomes (ou objets d'énaction) interagissent via des objets d'état qui définissent des médiateurs d'interaction proposant un support topologique spatio-temporel permettant à l'environnement virtuel de localiser les interactions dans l'espace et dans le temps. L'ensemble des médiateurs d'interaction forme ce que l'on peut appeler le milieu. L'environnement virtuel a pour but de résoudre les problèmes topologiques relatifs à la localisation des entités et des médiateurs d'interaction, afin de répondre à la question "qui agit où et quand ?". Les phénomènes naturels que l'on cherche à simuler sont chosifiés (ou réifiés) en des entités physiques situées dans l'environnement virtuel et qui assurent la cohérence physique de la simulation des phénomènes naturels. Par ailleurs, l'observation des phénomènes naturels est médiatisée par un instrument de mesure alimenté par un visualisateur implanté dans le troisième niveau N3.
Comme indiqué précédemment, chaque entité physique (ou objet d'énaction) possède trois méthodes (ou activités) particulières : l'aisthesis permettant de créer des médiateurs d'interaction rassemblés en un élément de topologie, la praxis permettant de donner des propriétés à chaque élément de topologie situé dans son voisinage d'influence, et la poiésis permettant de modifier le comportement d'une entité ou de créer de nouvelles entités.
Certaines entités particulières peuvent également définir des instruments qui permettent d'observer les phénomènes en mesurant leurs effets sur des médiateurs d'interaction, l'interaction étant alors celle du modèle avec l'utilisateur qui peut être un simple observateur, un acteur immergé sensoriellement, ou un modélisateur par la médiation du langage de programmation. Tout comme les entités physiques, les instruments peuvent disposer des trois méthodes présentées ci-avant, mais le plus souvent leur praxis peut être négligée.
Comme indiqué ci-dessus, le troisième niveau N3 est dédié à la spécification de l'environnement virtuel à l'animation du milieu (ici la mer). Il comporte, d'une première part, un module M2 définissant les différents types d'entités physiques (Groupe de vagues, Déferlement, Courant, Vent local, Bathymétrie, Synoptique (ou Vent Synoptique), etc), d'une deuxième part, un module M3 définissant les particules d'eau et les propriétés associées (position dynamique, masque, normale, vent, courant, profondeur, turbulences, etc), d'une troisième part, un module M4 définissant le milieu de médiation qu'est ici la mer, et d'une quatrième part le visualisateur qui est une entité particulière composée d'un grand nombre de Particules d'eau spécifiques formant un maillage de la surface de la mer à observer et devant être mises à jour selon une fréquence choisie, de préférence supérieure ou égale à 10 Hz, par les entités physiques constitutives de l'environnement virtuel, et notamment par les groupes de vagues, et texture en fonction des Groupes de vagues, des Déferlements et des Vents locaux, via l'instrument de mesure.
En présence d'une autre application, c'est ce troisième niveau N3 qui est adapté en fonction des types des objets d'énaction (ou entités), des objets d'état et des médiateurs d'interaction concernés.
Parmi les entités physiques présentées ci-avant, les Groupes, les Déferlements, les Vents, les Courants et la Bathymétrie assurent la cohérence océanographique des phénomènes et de leurs interactions via les propriétés des Particules d'Eau (position, normale, vent, courant, profondeur, turbulences, etc).
Comme indiqué précédemment, chaque entité physique autonome provient de la réification d'un phénomène physique (observé par les marins). Comme cela est schématiquement illustré sur la figure 3, ces entités autonomes sont situées dans l'environnement virtuel et possèdent leurs propres comportements. Le modèle de comportement d'une entité autonome est associé à une capacité de prédiction, c'est-à-dire un domaine de validité temporel dans lequel le comportement de l'entité ne nécessite pas de nouvelle perception des propriétés du milieu pour rester physiquement correct. La connaissance du domaine temporel dans lequel l'entité autonome peut évoluer en autonomie permet de déterminer la fréquence des actes de perception de cette entité autonome. Chaque entité sait ainsi qu'elle aura besoin d'un type donné d'information localisé dans tant de temps et à un endroit donné, relativement à sa prédiction.
Chaque entité "Groupe de vagues" est par exemple contrôlée par un train d'ondes lui donnant des caractéristiques moyennes (extension finie de l'enveloppe Gaussienne en longueur et en largeur, vitesse de groupe, nombre de vagues, longueur d'onde, période, profil horizontal des crêtes, vitesse de phase, âge du groupe), auxquelles s'ajoutent des perturbations locales en phase et en amplitude attachées aux crêtes des vagues qui la parcourent, afin de modéliser les aspects non linéaires des vagues.
A titre d'exemple de mise en oeuvre, le train d'ondes peut-être une ondelette de Morlet 2D dont l'enveloppe se déplace à la vitesse de groupe et dont la phase de la nappe sinusoïdale progresse à la vitesse de phase. L'ondelette de Morlet 2D est l'un des outils mathématiques utilisés par le logiciel de simulation (sur lequel on reviendra plus loin en référence à la figure 5) et notamment par ses médiateurs d'interaction (Particules d'eau).
Le Groupe de vagues est sensible à d'autres entités autonomes que sont notamment les Déferlements, les Courants, les Vents, la Bathymétrie et les autres Groupes de vagues.
Un Groupe de vagues devant pouvoir réaliser des transferts d'action vers les Déferlements, son domaine prédictif ne peut donc excéder la durée de vie d'un Déferlement (les autres phénomènes étant observables à plus basse fréquence). Le bon sens marin ou physique permettant d'estimer à environ une seconde la durée de vie minimale des déferlements des vagues de plus d'un mètre de longueur d'onde, on peut par exemple fixer à une seconde la capacité d'anticipation du modèle des Groupes de vagues. Dans ce cas, les Groupes de vagues sont chargés d'activer de manière asynchrone leurs comportements perceptifs selon une fréquence de 1 Hz, afin de connaître l'évolution des effets des Déferlements, des Vents, des Courants et de la Bathymétrie sur les propriétés du milieu à percevoir. En d'autres termes, Paisthesis de chaque Groupe de vagues, participant à l'environnement virtuel, est chargée de créer chaque seconde un élément de topologie, par exemple constitué de cinq points répartis dans son enveloppe (définissant son extension spatiale), dont la position est anticipée d'une seconde. Chaque Déferlement occupe préférentiellement une surface du plan d'eau observé, lequel est composé de zones élémentaires contiguës, par exemple de 1 m2. Chaque zone peut être associée à une phase active ou passive du Déferlement, selon qu'elle appartient ou non au front actif de ce Déferlement. Dans chaque zone active, un processus de fabrication de mousse et de turbulences peut être mis en oeuvre en fonction de l'activité locale du Déferlement (le mot "activité" doit ici être compris dans son sens physique de "taux de production" et non pas dans le sens informatique), tandis que dans chaque zone passive un processus de relaxation de la mousse et des turbulences peut être mis en oeuvre.
La propagation du front actif d'un Déferlement étant un processus très dynamique, influencé par les Vagues et les Vents, on peut par exemple mettre à jour l'activité des zones actives (ici de 1 m2) au moins deux fois par seconde. La dissipation de la mousse et des turbulences étant en revanche beaucoup plus facile à prévoir (car elle n'est sensible qu'aux Courants qui les transportent et aux Vents qui les orientent en des traînées d'écumes), et l'évolution des Vents et des Courants étant assez lente, on peut par exemple mettre à jour la dissipation toutes les 10 secondes. Dans ces conditions, les Déferlements activent leurs comportements perceptifs selon une fréquence de 2 Hz sur leurs fronts actifs afin de connaître les effets des Groupes (de vagues) et des Vents, et selon une fréquence de 0,1 Hz pour leurs zones de relaxation afin de connaître les effets des Courants et des Vents. En d'autres termes, l'aisthesis de chaque Déferlement, participant à l'environnement virtuel, est donc chargé de créer, d'une part chaque demi-seconde pour son front actif un élément de topologie constitué de particules des zones actives afin de faire évoluer l'activité et de déterminer la fin de l'activité de chaque zone active, auxquelles s'ajoutent des particules localisées en avant du front actif et anticipant la propagation du déferlement; et d' autre part toutes les dix secondes des particules supplémentaires dans les zones passives.
Les entités Synoptique (ou Vent Synoptique) et Vents locaux évoluent continûment au cours du temps en force et/ou en direction, mais l'influence du Synoptique est globale sur l'intégralité du plan d'eau observé, sur lequel il peut créer des Groupes de vagues, tandis que le Vent local ne participe pas à la création de Groupes de vagues et présente une enveloppe d'extension finie qui peut se déplacer et se transformer. Ces entités, de préférence modélisées par des modèles descriptifs insensibles au milieu, n'ont pas de réel besoin de perception. C'est également le cas, en première approximation, des Courants et de la Bathymétrie du fait que leurs paramètres évoluent exclusivement en fonction du temps
(l'onde de marée).
Les entités physiques participent ainsi à la création de la structure spatio-temporelle du milieu et y évoluent de manière autonome entre deux actes de perception. Un acte de perception est ici caractérisé par une anticipation perceptive ("où et quand j'aurai besoin de quoi ?") qui précède l'observation des propriétés du milieu, à partir desquelles l'entité concernée adapte son comportement. Les interactions entre les entités sont alors médiatisées par le milieu qu'elles ont créé et auquel chaque entité contribue à donner des propriétés.
II ressort de ce qui précède que le modèle informatique de la mer virtuelle est un système multi-agents (ou SMA) hétérogène composé d'entités physiques en interaction. Chaque entité autonome est située dans l'environnement virtuel et possède son propre comporte¬ ment, provenant de la réification d'un phénomène physique observé par les marins (Groupe(s) de vagues, Déferlement(s), (Vent) Synoptique, Vents locaux, Hauts-fonds, Courants, etc). Par ailleurs, le modèle du comportement de chaque entité est caractérisé par la capacité prédictive de ce que devrait être idéalement le comportement de l'entité, laquelle correspond à la fréquence selon laquelle l'entité doit percevoir son environnement pour s'adapter aux changements du milieu.
Les entités physiques (ou objets d'énaction) assurent donc la cohérence océanographique des phénomènes par des interactions s 'appuyant sur les caractéristiques des Particules d'eau (médiateurs d'interaction). Parmi ces caractéristiques on peut notamment citer la position de référence, la position dynamique (mise à jour par l'entité physique Groupe de vagues), la normale (mise à jour par l'entité physique Groupe de vagues), le vent (mis à jour par les entités physiques Vent synoptique et Vents locaux), le courant (mis à jour par l'entité physique Courant), la profondeur (mise à jour par l'entité physique Bathymétrie) et l'épaisseur des turbulences (mise à jour par l'entité physique Déferlement).
Comme indiqué précédemment, la Particule d'eau constitue le médiateur d'interaction pour la simulation phénoménologique du plan d'eau (ici la mer). Elle constitue un support topologique, appelé position de référence dans l' espace-temps. Cette position de référence constitue un point M(O3X0) de l'espace (où X0 est un vecteur), associé à un instant t0 donné. Ce sont les positions de référence dans l'espace-temps qui sont spécifiées par les activités de perception active des entités autonomes lors de la création de la structure spatio¬ temporelle du milieu (la Mer).
La Mer connaissant les Particules d'eau les range au fur et à mesure de leur création par ordre croissant des instants t0 au cours desquels les entités anticipent l'observation des propriétés. Une entité n'agit sur une particule temporellement située à l'instant tQ que si cet instant est dans le domaine de validité de prédiction du modèle de l'entité, c'est-à-dire entre deux actes perceptifs.
A un instant donné, avant d'exercer leurs praxis, les entités prennent leurs positions dans l'espace d'après leurs propres modèles de comportement. La Mer peut alors spécifier les activités de praxis des entités à chaque instant en résolvant les problèmes de topologie spatiale liés à l'appartenance d'un médiateur au domaine d'influence de chaque entité.
Afin de diminuer la complexité en O(n2) de ces problèmes de topologie spatiale, où n est le nombre d'entités en interactions, inhérente à tout système multi-agents, le plan d'eau (la Mer) peut être pavé régulièrement en régions rectangulaires. Cette solution est valable dans l'hypothèse d'une densité relativement homogène des entités qui peuplent le plan d'eau (la taille de chaque pavé est alors du même ordre de grandeur que la taille moyenne des entités peuplant l'environnement virtuel). Lorsqu'une entité utilise un grand nombre de médiateurs d'interaction dans son élément de topologie, comme c'est le cas de l'entité que constitue le visualisateur, elle doit fournir une méthode spécifique pour résoudre les problèmes de voisinage au sein de son élément de topologie.
En plus de la position de référence d'une particule d'eau, l'entité qui crée cette particule d'eau précise de quel(s) type(s) de propriété elle a besoin à l'aide d'un masque. Ainsi, on ne fait agir que les entités physiques dont la praxis influence un type de propriété, ce qui permet de simplifier la complexité de la résolution des relations topologiques entre les entités et les médiateurs d'interaction par une première sélection sémantique plutôt que géométrique.
Une particule d'eau peut posséder de nombreuses propriétés, comme par exemple sa position dynamique autour de la position de référence M(O5X0), sa vitesse relativement à la mer, sa normale à la surface de la mer, la liste des Groupes de vagues qui l' influencent, le Vent, le Courant, la Profondeur, l'épaisseur des turbulences, et la liste des Déferlements et les activités associées. Par exemple, les entités Groupes de vagues peuvent agir selon un modèle particulaire, éventuellement inspiré de celui décrit dans le document de FJ. Gerstner
"Théorie der Wellen", Abhandlungen der koniglichen bominschen, Gesellschaft der
Wissenschafte, Prague 1804, notamment pour ce qui concerne la position dynamique, la vitesse et la normale. Par ailleurs, chaque Groupe de vagues peut s'ajouter à la liste des
Groupes de vagues si une Particule d'eau est dans son enveloppe. En outre, les entités
Déferlements peuvent agir selon un modèle du type de celui décrit dans le document de N.
Reul et al "A model of sea-foam thickness distribution for passive microwave remote sensing applications", Journal of Geophysical Research, 2004, notamment pour ce qui concerne l'épaisseur des turbulences et la liste des Déferlements et les activités associées.
Ainsi, chaque Particule d'eau est localisée sur la Mer et dans le temps par une position de référence et possède des propriétés mises à jour en fonction de la praxis des entités physiques qui l'influencent. L'activité des praxis est déterminée par l'environnement Mer, qui connaît les positions des Particules d' eau et des entités à chaque instant, en résolvant les relations de voisinage entre lesdites Particules d'eau et entités. Ces Particules d'eau servent alors de médiateurs d'interaction car leurs propriétés, issues de l'influence de l'ensemble des entités présentes, sont utilisées par chaque entité physique pour adapter son propre comportement. L'ensemble des Particules d'eau est créé par les entités au fur et à mesure de leurs interactions. Cet ensemble est en perpétuelle évolution au cours du temps, tant par le nombre de Particules d'eau que par leurs positions dans l'espace, et forme le milieu dans lequel les entités interagissent.
On a représenté sur la figure 4 un exemple schématique de création d'une structure spatio- temporelle du milieu Mer par trois entités (deux Groupes de vagues et un Déferlement), au moyen de leurs aisthesis. Sur cette figure les Particules d'eau constitutives du milieu (la Mer) sont représentées par des cercles à motifs. Dans cet exemple, à un instant donné t0, l'entité Déferlement (déferl(t0)) prévoit d'avoir besoin, d'une part dans 0,5 seconde (soit to+O,5) de propriétés de Particules d'eau sur son front actif ZA et en avant de celui-ci dans sa direction de propagation, et d'autre part dans 10 secondes (soit to+lθ) de propriétés du milieu dans sa zone passive ZP (matérialisée par des petits points). A un instant Xx, le premier Groupe de vagues (groupe^tj)) prévoit d'avoir besoin de propriétés à la position (Gl_estim) où il est censé se trouver dans 1 seconde (soit tj+1). Il crée alors cinq Particules d'eau pour l'instant Xx+\. Par ailleurs, à un instant X1, le second Groupe de vagues (groupe_2(t2)) prévoit d'avoir besoin de propriétés à la position (G2_estim) où il est censé se trouver dans 1 seconde (soit t2+l). Il crée alors cinq Particules d'eau pour l'instant t2+l .
La Mer va alors faire agir l'ensemble des entités sur la structure spatio-temporelle ainsi formée pour lui donner des propriétés.
Comme indiqué précédemment, le dispositif selon l'invention D permet de faire évoluer des phénomènes physiques caractérisant un milieu (ici la Mer) sans qu'il faille nécessairement regarder ledit milieu. De même, le dispositif D permet de simuler une partie des phénomè¬ nes physiques inhérents à la surface de la Mer indépendamment de leur visualisation, bien entendu hormis le fait que les phénomènes modélisés dépendent de ce que l'on cherche à percevoir. Cela résulte du fait que la structure spatio-temporelle du milieu (ici la Mer), créé par les entités physiques, est adaptée à la simulation des phénomènes océanographiques et non à la visualisation interactive de la surface de la Mer qui requiert des contraintes spécifiques à la perception humaine et aux moyens informatiques réalisant Fanirnation interactive.
La visualisation du milieu (ici la mer) nécessite en effet de considérer l'utilisateur comme l'un des éléments actifs du modèle. Le Visualisateur doit par conséquent constituer une entité autonome participant à l'organisation, immergé dans l'environnement virtuel par la médiation d'une interface homme/machine. De ce fait, l'utilisateur doit préciser la structure spatio-temporelle du milieu dont il veut pouvoir observer certaines propriétés ("où et quand je regarde quoi ?"). En fonction de ce qu'il perçoit, l'utilisateur décide des prochains endroits où il souhaite observer des phénomènes choisis. Cette démarche est la même que celle mise en oeuvre par les entités autonomes peuplant l'environnement virtuel, laquelle consiste à effectuer une perception active (ou aisthesis).
Une fois les phénomènes sélectionnés par l'utilisateur, il doit préciser à l'aide de l'interface homme/machine "où" et "quand" il veut les percevoir. Les informations fournies alimentent un modèle de perception dédié. L'immersion minimale est visuelle et rendue par l'image d'une caméra virtuelle, par exemple. Une interaction avec la caméra virtuelle peut être envisagée, par exemple au moyen du clavier de commande et/ou de la souris. Par ailleurs, la caméra peut être attachée à un objet fixe ou mobile, comme par exemple un bateau, sur lequel un observateur est éventuellement situé (ou immergé).
Afin de rendre fluide la visualisation, il est préférable que l'animation (ici de la surface de la Mer) se fasse selon un modèle de perception défini par une fréquence supérieure à 10 Hz et une géométrie texturée, structurée en un maillage dont les points sont répartis en respectant une certaine distribution de probabilité spatiale.
Une fois que le modèle de perception a été défini à partir des propriétés fournies par l'interface homme/machine, la Mer peut-être instrumentée par l'entité Visualisateur (du troisième niveau N3 de l'architecture de la figure 2). Comme indiqué précédemment, le
Visualisateur est en effet chargé de structurer le milieu (ici la Mer) en fonction du modèle de perception et de récupérer les propriétés pertinentes pour la visualisation de la surface de la Mer. La projection des propriétés observées par l'entité Visualisateur permet alors de révéler la Mer sur le moniteur d'affichage de l'interface homme/machine.
Une entité Visualisateur représente un couple (géométrie, caméra). On suppose dans ce qui suit que le nombre de points qui constituent la géométrie est fixe (il dépend de la puissance des équipements informatiques supportant le dispositif de simulation D), et que la topologie de leurs voisinages respectifs est conservée au cours du temps.
Les positions des points de la géométrie sont préférentiellement générées en respectant une distribution de probabilité fixée par le modèle de perception associé au Visualisateur. Le maillage est par exemple défini selon une triangulation dite de Delaunay statique réalisée lors de l'initialisation sur des positions des points par défaut. Une telle triangulation est notamment décrite dans le document de MJ. Castro et al "New progress in anisotropic grid adaptation inviscid and viscious flow simulation", Technical Report 2671, INRIA5 1995.
La structure topologique de la géométrie est préférentiellement statique afin de ne pas avoir à trianguler à la volée. Mais, on peut également envisager de modifier dynamiquement la grille de la structure topologique, au niveau des positions des points qui la définissent, par exemple au moyen de transformations conservant la topologie structurelle autres que de simples translations, rotations ou homothéties. A cet effet, on peut par exemple utiliser des projections du type de celles décrites dans le document précité de D. Hinsinger afin d'adapter la représentation des détails du mouvement de la Mer au point de vue de la caméra.
L'activité aisthesis du Visualisateur consiste à structurer le milieu (ici la Mer) en générant, par exemple tous les dixièmes de seconde au moins, l'élément de topologie dont les Particules d'eau associées possèdent comme positions de référence les positions des points de la grille déterminée par le modèle de perception du Visualisateur.
La construction de l'image nécessite la connaissance en chaque point, d'une première part de la position dynamique et de la normale afin de reconstituer la surface de la Mer, d'une deuxième part de l'épaisseur des turbulences afin de représenter la mousse passive, d'une troisième part de l'activité des Déferlements afin de permettre le réglage du débit d'un système de Particules d'eau (lequel est un objet graphique qui peut être très consommateur de ressources, et qui n'est de ce fait instancié que si sa position le place dans une zone d'attention perceptive spécifiée par le modèle de perception du Visualisateur), d'une quatrième part du Vent afin de permettre le paramétrage de la divergence du générateur de Particules d'eau et de la texture des vaguelettes (par exemple avec un "bump-mapping" du type de celui décrit dans le document de J. Maillot et al "Interactive texture mapping", computer Graphics (SIGGRAPH), 27 : 27-34, 1993), et d'une cinquième part des Groupes de vagues afin de permettre la texturation des vagues lorsque le pas de la grille géométrique est d'un ordre de grandeur équivalent à la longueur d'onde des Groupes de vagues.
L'ensemble des Particules d'eau constituant l'élément topologique d'un Visualisateur est généralement trop important pour que les entités physiques qui influencent la grille puissent résoudre les problèmes de topologie de leur praxis sans avoir recours à une méthode spécifique. La répartition spatiale des points de référence n'étant pas régulière, une simple méthode à base de boîtes englobantes n'est pas suffisamment efficace pour résoudre ces problèmes.
Par conséquent, afin de simplifier la complexité de l' opération de résolution des problèmes, il est avantageux d'utiliser un processus d'arbre binaire, par exemple de type "quad-tree" comme décrit dans le document de A. Klinger et al "Experiments on pictures représentation using regular décomposition", Computer Graphics and Image Processing, 5 : 68-105, 1976. Dans ce cas, la fabrication de l'arbre est préférentiellement réalisée lors de l'initialisation de la géométrie, sensiblement en même temps que la triangulation.
Ces autres structures topologiques restent fixes d'un point de vue des voisinages pendant toute la simulation, car elles ne subissent que des transformations laissant invariante la notion de voisinage. L'entité Visualisateur permet ainsi de donner une structure spatio-temporelle au milieu (ici la Mer), dédiée à la perception humaine et donnant accès aux propriétés nécessaires à la visualisation de la Mer par révélation au moyen du moniteur d'affichage. La révélation de la Mer correspond au développement des photos des praxis des entités physiques qui la peuplent, telles qu'elles sont prises par l'entité Visualisateur. Cette révélation dépend principalement des caractéristiques de la carte graphique du moniteur d'affichage et de la finesse du grain du maillage géométrique.
Pour une simulation quasi temps réel (9 images par seconde), on peut utiliser une carte graphique supportant par exemple un "Vertex et Pixel shader" version 2.0, telle que la carte GeForce FX de la société Nvidia, ainsi qu'un processeur principal fonctionnant à 1,4 GHz, comme par exemple le processeur Pentium IV de la société Intel. Seuls quelques méga octets sont alors utilisés en mémoire vive par le programme, et l'initialisation (triangulation, etc) prend typiquement une quinzaine de secondes. Avec un tel équipement informatique, un plan d'eau d'environ 4 Km2 peut être recouvert d'environ 8000 entités physiques en interaction et la grille géométrique peut être composée de 6000 points. La complexité de la simulation physique des phénomènes océanographiques en interaction est alors, du point de vue du CPU, du même ordre de grandeur que celle de l'animation de la grille géométrique.
On se réfère maintenant à la figure 5 pour décrire un exemple de dispositif de simulation selon l'invention D, de type asynchrone et chaotique, comme évoqué précédemment, capable de mettre en oeuvre l' architecture présentée ci-avant en référence à la figure 2.
Comme cela est illustré schématiquement et de façon fonctionnelle sur la figure 5, le dispositif D peut-être installé dans un ordinateur C comportant un système d'exploitation
OS et des moyens de traitement et de calcul CPU adaptés à un fonctionnement dans un mode multi-tâches, tel que celui offert par l'environnement oRis décrit notamment dans le document "Systèmes multi-agents", pages 499 à 524, RSTI - TSI, 21/2002. Un tel environnement multi-tâches est particulièrement bien adapté à la programmation par objets activés, par exemple en langage C++ ou Java. L'environnement multi-tâches oRis est couplé, comme le dispositif D qui est illustré, à un compilateur (ici nommé "compilateur de programmation objet"). Par ailleurs, l'environnement oRis peut-être couplé, comme le dispositif D qui est illustré, à un traducteur en langage C++ (ici nommé "interpréteur de programmation obj et") afin d' améliorer son efficacité par compilation. Cet interpréteur peut même être adapté de manière à constituer un compilateur en ligne dans lequel le code exécuté est un code compilé en ligne et modifiable de façon dynamique. Un tel environne¬ ment multi -tâches, constituant une évolution d'oRis, est connu sous le nom AReVi.
Le dispositif D comprend un logiciel de simulation de l'évolution conjointe d'objets activés (ici nommé "simulateur général"). Plus précisément, ce logiciel de simulation (ou simulateur général) comporte les (premiers) objets dits d'énaction et les (seconds) objets dits d'état.
Le logiciel de simulation (ou simulateur général) comprend également un gestionnaire de simulation couplé aux objets d'état et aux objets d'énaction (ou entités) et agencé de manière à créer son propre ordonnanceur ou séquenceur (ou en anglais "scheduler") afin de travailler de façon séquentielle sur une sélection d'objets d'énaction. Le gestionnaire de simulation calcule des interactions une fois que le milieu (ici la Mer), qui fait vivre les objets d'énaction (ou entités), a résolu les problèmes topologiques.
Le gestionnaire de simulation est plus précisément chargé d'activer une unique fois lors de chaque séquence, sous le contrôle du séquenceur (ou scheduler) qu'il crée pour l'occasion, chaque objet d'énaction sélectionné, selon un ordre qui varie de façon au moins partielle¬ ment aléatoire d'une séquence à l'autre, afin d'appliquer chacune de ses trois activités à l'état courant de chaque objet d'état qu'il désigne de manière à faire évoluer son état vers un nouvel état courant, ou en d'autres termes afin de faire évoluer dynamiquement séquence après séquence les interactions spatio-temporelles entre entités.
De façon plus détaillée, l'utilisateur choisit tout d'abord un ou plusieurs objets d'énaction, afin que le dispositif D simule l'évolution spatio-temporelle du système. Cela "pré-active" chaque objet d'énaction choisi au sein du logiciel de simulation.
Puis, le gestionnaire de simulation initialise un compteur de séquences en plaçant la valeur n du compteur à 1, et crée une liste d'objets d'énaction. La première séquence (n=l) commence par une phase de sélection dans laquelle le gestionnaire de simulation sélectionne de façon aléatoire l'un des objets d'énaction choisis, ce qui l'active momentanément. Chaque activité (ou méthode) de l'objet d'énaction sélectionné et activé est alors appliquée à l'état courant de chaque objet d'état associé, ce qui modifie éventuellement son état en cours. Chaque activité est ainsi activée et appliquée à chaque objet d'état. Puis, le gestionnaire de simulation supprime de la liste d'objets d'énaction de la séquence en cours l'objet d'énaction qu'il vient d'appliquer.
Ensuite, le gestionnaire de simulation effectue un test destiné à déterminer s'il reste d'autres objets d'énaction à appliquer dans la liste d'objets d'énaction de la séquence en cours.
Si la liste d'objets d'énaction de la séquence en cours n'est pas vide, le gestionnaire de simulation effectue une nouvelle phase de sélection afin de sélectionner de façon aléatoire l'un des objets d'énaction restant. Comme indiqué ci-avant, il active alors ce nouvel objet d'énaction sélectionné et applique chacune de ses activités à l'état courant de chaque objet d'état, éventuellement modifié par l'activation de l'objet d'énaction précédent (lequel ne peut plus être utilisé dans la séquence en cours). Le gestionnaire de simulation reproduit ces opérations (sélection-activation, application et mise(s) à jour) autant de fois qu'il y a d'objets d'énaction sélectionnés dans sa liste d'objets d'énaction, de sorte que chaque activité de chaque objet d'énaction soit appliquée une unique fois à chaque objet d'état auquel il est associé. Une fois cela terminé, la première séquence (n=l), correspondant à l'instant T=O, est achevée.
Lorsque la liste d'objets d'énaction de la séquence en cours est vide, le gestionnaire de simulation incrémente d'une unité la valeur en cours n du compteur de séquences. Bien entendu, il effectue un test sur le nombre de séquences à effectuer. Si le nombre de séquences effectuées est égal au nombre maximal prévu, le gestionnaire de simulation met fin à la simulation. En revanche, s'il reste au moins une séquence à effectuer, le gestionnaire de simulation effectue une nouvelle séquence correspondant à un instant T+l , T+2, ..., T+n. II réitère alors à chaque nouvelle séquence les opérations précitées.
La durée de la simulation, et donc le nombre maximal de séquences effectuées par le gestionnaire de simulation, dépend de l'application concernée, ou du paramétrage choisi par l'utilisateur compte tenu de l'application. Mais, la simulation peut être interrompue à chaque instant par l'utilisateur à l'aide d'une instruction d'arrêt transmise au logiciel de simulation grâce aune interface homme/machine de l'ordinateur C. Il est important de noter qu'une simulation interrompue à la demande d'un utilisateur peut-être reprise ultérieure¬ ment. II est important de noter que le séquenceur (ou scheduler) peut fonctionner en temps virtuel, ou en d'autres termes que son fonctionnement n'est pas astreint à respecter le temps réel, mais chacune de ses itérations représente logiquement, et non physiquement, une durée de une milliseconde (1 ms). Bien entendu, le séquenceur peut également fonctionner en temps réel. Dans ce cas, chacune de ses itérations dure physiquement une période choisie.
En raison du mode de fonctionnement séquentiel et chaotique du logiciel de simulation, l'utilisateur peut à chaque instant intervenir dans une simulation, soit sous la forme d'un "avatar" pour interagir lui-même avec l'objet de la simulation, par exemple le milieu, soit pour ajouter à sa sélection ou supprimer de sa sélection un ou plusieurs objets d'énaction. L'utilisateur peut également décider de modifier au moins partiellement la définition (ou structure) d'un ou plusieurs objets d'énaction. Cela confère au logiciel de simulation une grande interactivité.
L' invention trouve de très nombreuses applications dans de nombreux domaines techniques, et notamment dans les domaines de 1 ' assistance à la navigation, de 1 ' architecture navale (par exemple pour l'étude comportementale d'un bateau ou d'une plate-forme offshore, en remplacement et/ou en complément des bassins de carène), de l'étude de la résistance des matériaux ou des phénomènes ondulatoires (électromagnétiques ou acoustiques). Ainsi, une possible application est la modélisation des interactions conjuguées entre un navire, des ondes radars et la mer dans le cas de la détection et/ou de la reconnaissance d'un objet.
Par ailleurs, dans ce qui précède il a été décrit une application dans laquelle le milieu hétérogène était l'objet de phénomènes physiques de même nature. Mais, l'invention concerne également les applications dans lesquelles le milieu hétérogène est l'objet d'une combinaison (ou superposition) de phénomènes physiques de natures différentes.
L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation de dispositif de simulation décrits ci- avant, seulement à titre d'exemple, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l'homme de l'art dans le cadre des revendications ci-après.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (D) de simulation de l'évolution temporelle d'un milieu, propre à être implanté dans un ordinateur (C) agencé pour supporter en mode multi-tâches une programmation par objets activés, caractérisé en ce qu'il comprend : - un logiciel de simulation par objets de l'évolution conjointe de certains au moins desdits objets activés, comportant des premiers objets dits "d'énaction" définissant des entités autonomes spatio-temporelles représentatives chacune d'un phénomène physique et interagissant, en cas d'activation, au sein d'un système multi-agents via des seconds objets dits "d'état" définissant des médiateurs d'interaction offrant un support topologique spatio-temporel constituant un environnement virtuel représentatif du milieu simulé et permettant de localiser des interactions entre entités dans l'espace et dans le temps, et - un gestionnaire de simulation capable de travailler par séquences sur une sélection d'objets d'énaction, et d'activer chaque objet d'énaction une unique fois lors de chaque séquence, selon un ordre variant de façon au moins partiellement aléatoire d'une séquence à l'autre, de manière à faire évoluer dynamiquement séquence après séquence lesdites interactions spatio-temporelles entre objets d'énaction.
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit logiciel de simulation comprend des objets d'énaction définissant des instruments constituant des entités autonomes propres à mesurer les effets sur des médiateurs d'interaction choisis de certains au moins desdits phénomènes physiques choisis, représentés par lesdites entités, de manière à permettre l'observation desdits phénomènes physiques en des endroits choisis dudit milieu.
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chaque objet d'énaction est défini par de premier, deuxième et troisième objets actifs agencés de manière à exercer respectivement une première activité destinée à créer un élément de topologie constitué d'au moins un médiateur d'interaction, une deuxième activité destinée à attribuer des propriétés à chaque élément de topologie situé dans un domaine d'influence de son objet d'énaction, et une troisième activité destinée à modifier le comportement de son objet d'énaction en fonction des propriétés de l'élément de topologie qu'elle a créé, perçues au sein dudit milieu et attribuées par l'ensemble desdits objets d'énaction ayant constitué ledit milieu.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque objet d'énaction est associée à un modèle de comportement paramétré adaptable propre à définir une région du milieu où doivent être perçues lesdites propriétés de l'élément de topologie qu'il a créé, et chaque instant au cours duquel lesdites propriétés doivent être perçues.
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque instant de perception est défini en dehors de domaines de validité temporels pendant lesquels le modèle de comportement de l'objet d'énaction concerné ne nécessite pas de nouvelle perception des propriétés de l'élément de topologie qu'il a créé pour rester physiquement correct.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits domaines temporels sont espacés périodiquement selon une fréquence choisie propre à l'objet d'énaction concerné.
7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit logiciel de simulation comporte un ordonnanceur propre à fonctionner selon l'un de deux modes choisis parmi un mode en temps réel, dans lequel il fonctionne selon une fréquence choisie, et un mode en temps virtuel, dans lequel il fonctionne de façon périodique mais pendant des durées variables d'une période à l'autre.
PCT/FR2004/002384 2004-06-02 2004-09-22 Logiciel de simulation de l'evolution d'un milieu par traitement asynchrone et chaotique en presence d' entites autonomes interagissant en un systeme multi-agents WO2006003271A2 (fr)

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