Patricio Gonzalez Vivo
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## Fractional Brownian Motion
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Le bruit peut avoir plusieurs significations selon les personnes. Les musiciens le trouveront dérangeant, les communicants le considèrent comme une interférence et les astrophysiciens comme un rayonnement cosmique.
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Toutes ces qualifications, nous ramènent à l'ancrage *physique* du bruit dans notre environnement. Commençons toutefois par quelque chose de plus simple et de plus fondamental ; les ondes et leurs propriétés.
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Une onde peut être considérée comme la variation d'une propriété dans le temps ; le son est une variation de la pression de l'air au fil du temps, une onde électro-magnétique est la fluctuation dans le temps d'un champs électrique et magnétique etc.
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Les deux caractéristiques importantes d'une onde sont sa *fréquence* et son *amplitude*.
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L'équation d'une onde à une dimension peut s'écrire comme suit:
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<div class="simpleFunction" data="
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float amplitude = 1.;
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float frequency = 1.;
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y = amplitude * sin(x * frequency);
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"></div>
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* Essayez de changer les valeurs de fréquence et d'amplitude pour comprendre leurs effets.
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* À l'aide des fonctions de formes, faites varier l'amplitude au fil du temps.
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* Faites de même avec la fréquence.
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Félicitations! en suivant les deux dernières instructions, vous avez réussi à "moduler" l'onde et à créer une modulation de fréquence (FM) et d'amplitude (AM), et oui, exactement comme des ondes radio!
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Une seconde propriété intéressante des ondes est leur capacité à s'additionner, ce qu'on appelle la superposition.
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Commentez/décommentez et jouez avec les les lignes suivantes en vous intéressant à la forme que prend l'onde lorsqu'on la combine à d'autres.
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<div class="simpleFunction" data="
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float amplitude = 1.;
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float frequency = 1.;
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y = sin(x * frequency);
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float t = 0.01*(-u_time*130.0);
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y += sin(x*frequency*2.1 + t)*4.5;
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y += sin(x*frequency*1.72 + t*1.121)*4.0;
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y += sin(x*frequency*2.221 + t*0.437)*5.0;
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y += sin(x*frequency*3.1122+ t*4.269)*2.5;
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y *= amplitude*0.06;
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"></div>
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* Changez les valeurs de fréquence et d'amplitude des ondes additionnelles.
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* Pouvez vous créer deux ondes qui s'annulent? à quoi ressemblera l'onde finale?
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* Est-il possible d'additionner des ondes de manière à ce qu'elles s'amplifient l'une l'autre?
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En musique, chaque note est associée à une fréquence particulière. Les fréquences correspondent aux _notes_ de musique et doubler ou diviser par deux une fréquence permet de changer d'_octave_.
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Utilisons à présent un bruit de Perlin au lieu d'une sinusoïde!
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Un bruit de Perlin de base ressemble globalement à une sinusoïde.
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Son amplitude et sa fréquence varient un peu mais l'amplitude reste globalement la même tandis que la fréquence
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reste cantonnée dans une zone restreinte autour de la fréquence centrale.
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Cependant, ce n'est pas une sinusoïde régulière et il est plus simple d'atteindre un résultat pseudo-aléatoire
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en ajoutatnt plusieurs versions du bruit à différentes échelles (amplitudes).
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Il est possible d'obtenir le même résultat avec des sinusoïdes mais il est nécessaire de combiner un nombre d'ondes important pour masquer leur nature périodique.
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En ajoutant différentes itérations du **bruit** (différents *octaves*),
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dont on augmente la fréquence (la *lacunarité*) et dont on réduit l'amplitude (le *gain*), on obtient une granularité
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qui nous permet de préserver les détails fins d'un bruit.
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Cette technique s'appelle "Fractional Brownian Motion" (*FBM*) ou simplement *bruit fractal*
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Voici un exemple d'implémentation:
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<div class="simpleFunction" data="// Properties
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const int octaves = 1;
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float lacunarity = 2.0;
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float gain = 0.5;
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//
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// Initial values
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float amplitude = 0.5;
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float frequency = 1.;
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//
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// Loop of octaves
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for (int i = 0; i < octaves; i++) {
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	y += amplitude * noise(frequency*x);
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	frequency *= lacunarity;
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	amplitude *= gain;
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}"></div>
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* Changez progressivement le nombre d'octaves de 1 à 10 et regardez ce qui se produit.
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* Au delà de 4 octaves, changez la valeur de lacunarité.
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* toujours au delà de 4 octaves, changez le gain et observez le résultat.
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Notez comment, à chaque nouvel octave, la courbe semble gagner en détail.
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Notez également lors de l'ajout d'octaves que lorsqu'on zoome sur la courbe, les plus petits éléments ressemblent à l'ensemble et inversement ; c'est ce qu'on appelle l'*auto-similarité*:
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C'est une propriété importante des fractales et nous la simulons dans notre boucle.
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Nous ne créons pas une fractale à proprement parler puisque nous arrêtons l'ajout de bruit après quelques itérations mais d'un point de vue théorique,
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si nous pouvions laisser la boucle tourner indéfiniment et ajouter une somme infinies de bruits, nous obtiendrions une courbe fractale.
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Dans un shader, la finesse du détail est limitée par la résolution écran ; si le résultat devient plus petit qu'un pixel, il n'ya pas vraiment de raison (ni de moyen) de le représenter à l'écran.
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Nous avons donc pas besoin de boucles infinies pour obtenir une apparence fractale, il faut parfois un grand nombre d'itérations mais jamais une inifinité.
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le code suivant est un exemple d'implémentation de **FBM** en 2 dimensions:
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<div class='codeAndCanvas' data='2d-fbm.frag'></div>
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* Réduisez le nombre d'octaves en changeant la ligne 37
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* Changez la lacunarité du FBM à la ligne 47
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* Changez le gain ligne 48
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Cette technique est communément utilisée pour créer des terrains procéduraux.
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l'*auto-similarité* du FBM se prête bien au rendu de montagnes ; le processus d'érosion qui donne leur forme aux montagnes
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produit le même genre de motifs auto-similaires à grande échelle.
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Si le sujet vous intéresse, nous vous invitons à lire [cet article d'Inigo Quiles sur les techniques de bruit avancées](http://www.iquilezles.org/www/articles/morenoise/morenoise.htm).
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Le principe du **FBM** peut être amendé pour obtenir différents effets comme par exemple cette **turbulence**.
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On part de la structure de notre FBM mais au lieu d'accumuler la valeur signée(+/-) du bruit, on accumule sa valeur absolue(+) ce qui crée des *vallées* et des *collines*.
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```glsl
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for (int i = 0; i < OCTAVES; i++) {
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value += amplitude * abs(snoise(st));
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st *= 2.;
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amplitude *= .5;
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}
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```
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<a href="../edit.php#13/turbulence.frag"><img src="turbulence-long.png" width="520px" height="200px"></img></a>
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Une seconde variante dite *ridge noise* (bruit de *crête* ou d'*arête*) consiste à inverser les vallées:
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```glsl
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n = abs(n); // create creases
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n = offset - n; // invert so creases are at top
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n = n * n; // sharpen creases
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```
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<a href="../edit.php#13/ridge.frag"><img src="ridge-long.png" width="520px" height="200px"></img></a>
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Une autre variante consiste à multiplier les valeurs de bruit au lieu de les additionner.
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Il est intéressant de modifier l'échelle d'une itération de bruit en fonction du bruit de l'itération precédente.
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En faisant ce genre de chose, nous nous éloignons du monde des fractales et entrons dans le monde méconnu des *multifractales*.
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Les *multifractales* ne sont pas aussi clairement définies mathématiquement que les fractales ce qui ne nous empêche pas de nous en servir dans les shaders.
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Les simulations *multifractales* sont d'ailleurs très répandues dans les logiciels de génération de terrain.
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Vous trouverez plus d'informations sur ce sujet au chapitre 16 de "Texturing and Modeling: a Procedural Approach" (3ème édition), de Kenton Musgrave.
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Malheureusement le livre n'est plus édité depuis quelques années déjà mais vous le trouverez en bibliothèque ou d'occasion.
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Il est possible d'acheter un PDF de la première édition en ligne mais ça ne vaut pas le coup ; elle date de 1994 et ne contient aucune information sur la génération de terrain.
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### Domain Warping
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[Inigo Quiles a également écrit cet article fascinant](http://www.iquilezles.org/www/articles/warp/warp.htm) sur le fait de "plier" ou "recouvrir" (*wrap*) l'espace d'un FBM à l'aide d'un FBM.
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ce serait le *rêve dans le rêve* d'Inception.
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Le code suivant est une variation moins spectaculaire de cette technique, on utilise le *wrapping* (pliage, recouvrement, emballage) pour créer une sorte de nuage.
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Notez la part que joue l'*auto-similarité* dans le résultat final.
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<div class='codeAndCanvas' data='clouds.frag'></div>
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Le fait de *wrapper* (plier, recouvrir, emballer) ainsi les coordonnées de textures peut être extrêmement utile, relativement amusant et terriblement dur à maîtriser.
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C'est un outil puissant qui demande beaucoup de pratique pour être correctement utilisé.
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["Flow noise", un célèbre article de Ken Perlin et Fabrice Neyret](http://evasion.imag.fr/Publications/2001/PN01/) explique comment utiliser les dérivées (ou dégradés) du bruit pour atteindre ce résultat.
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Les implémentations récentes du bruit de Perlin se servent à la fois de la fonction et de sa dérivée.
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Si la *vraie* dérivée n'est pas disponible, on peut toujours se rabattre sur les différences finies pour l'approcher bien que ce soit moins précis et demande plus de travail.
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