Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Elektronik

Bevægelse og flow:Simulering af kompleksitet af væsker og tråde i den virtuelle verden

Et team af forskere, fra Columbia University Engineering (USA) og University of Waterloo (Canada), vil præsentere en ny computergrafikmetode, der simulerer kompleksiteten af ​​væsker. De vil præsentere deres forskning ACM SIGGRAPH Asia, afholdt 17. til 20. november i Brisbane, Australien. Kredit:ACM SIGGRAPH Asia

Simulering af fysikken bag flytning af væsker og hvordan væsker - tykke eller tynde - interagerer med andre objekter er et centralt problem i visuelle effekter. At levendegøre sådanne scenarier som en pensel, der omrøres og spredes oliemaling på et lærred eller spaghetti smidt i pastasauce, indebærer sofistikeret beregningsmodellering. Disse scenarier, i særdeleshed, er svære at simulere på grund af væskens komplekse reologi - hvordan dens form ændrer sig og transformerer sig med bevægelse - og de indviklede interaktioner mellem væsken og strengene.

Et team af computerforskere behandler dette problem inden for computergrafik med en roman, multi-skala ramme, der realistisk og præcist efterligner den komplekse dynamik i tråde, der interagerer med såkaldte forskydningsafhængige væsker, såsom mudder, oliemaling, smeltet chokolade, eller pastasauce. Forskerne, fra Columbia Engineering og University of Waterloo, er klar til at præsentere deres arbejde på ACM SIGGRAPH Asia, afholdt 17. til 20. november i Brisbane, Australien. SIGGRAPH Asien, nu i sit 12. år, tiltrækker de mest respekterede tekniske og kreative mennesker fra hele verden inden for computergrafik, animation, interaktivitet, spil, og nye teknologier.

Unikt for dette arbejde er den præcise modellering af kompleksiteten af ​​væskestrengedynamik. Forestil dig f.eks. En skål spaghetti, og forsøger at animere, hvor meget sauce der klæber sig til forskellige dele af pastaen, mens den snurres og løftes ud af en skål med en gaffel. For at simulere et sådant scenario, forskernes metode tegner sig for væske-streng-interaktionen, der forekommer på tværs af mange skalaer-både i den lille skala for tynde tråde og deres overfladestrømme og i stor skala for bulkvæske.

"Problemets multiscale karakter udgør en central udfordring, "siger Yun (Raymond) Fei, hovedforfatter af værket, der for nylig afsluttede sin ph.d. i datalogi i Columbia. "Det kræver vores simuleringsmodel at håndtere både en stor portion væske, der bevæger sig rundt og den lille, detaljerede bevægelser af tråde og deres overfladestrømme. "

Fei's samarbejdspartnere omfatter medforfattere Christopher Batty fra University of Waterloo-Canada og fra Columbia Engineering, Eitan Grinspun og Changxi Zheng.

Kredit:Columbia University

Udvidelse af tidligere arbejde med animering af vådt hår, denne nye beregningsramme tegner sig for volumenændringen af ​​væsken, når den passerer gennem tråde og momentumudvekslingen mellem strengene og væsken. Deres rammer tegner også for samhørighed mellem tråde og hvordan væskebevægelserne påvirker strengbevægelsen og omvendt. Rammerne består af tre komponenter:en model, der simulerer væsken, der strømmer på overfladen af ​​tråde, en model, der simulerer bevægelsen af ​​individuelle hårstrå og deres kollisioner (f.eks. skålen med spaghetti og sauce), og en model, der simulerer bulkvæske, der bevæger sig som et kontinuum, såsom vand, der strømmer fra en vandhane.

"Vores algoritme samler flere fysiske modeller i både fine og store skalaer, og gør det muligt for simuleringen at fange meget komplekse, rige og multi-fysiske fænomener i væske-streng interaktioner, "siger Zheng, lektor i datalogi i Columbia.

Forskerne demonstrerede deres metode på en lang række materialer og en række eksempler, herunder udfordrende scenarier med sprøjt, ryster, og omrøring af væsken, der får strengene til at hænge sammen og blive viklet ind. For eksempel, at illustrere den sammenhængende og friktionsadfærd af våde hår, metoden blev brugt til realistisk at simulere en hårdækket bold, der løftede fra en mudderpøl og rystede. Når bevægelsen stopper, hårene klistrer og floker sig som forventet. En videodemonstration af den nye metode kan ses her.

"Der er et væld af væskestrengende eksempler i den fysiske verden, som vi blev inspireret til at efterligne i den virtuelle verden, "siger Grinspun, der gennemførte forskningen, mens han var lektor ved Columbia Engineering; Grinspun er nu professor i datalogi ved University of Toronto. "Det, vi har kunnet opnå og låne ud til kunstnere og brugere, er en præcis, multi-skala teknik til at redegøre for lagene af sofistikeret matematik og fysik bag denne komplekse dynamik. "

Teamets metode kan straks anvendes til oprettelse af specialeffekter i filmindustrien. Tidligere arbejde fra disse samarbejdspartnere er blevet brugt af førende visuelle effekterhuse som WETA Digital, og i spillefilm, herunder Moana og Jungle Book. I det fremtidige arbejde, forskerne forestiller sig, at denne metode kan anvendes til at forudsige, hvordan objekter bevæger sig og dannes i produktionen af ​​kosmetik eller i robotikdesign.


Varme artikler