Enhancing fluid animation with fine detail

Abstract

Wasser oder allgemein Flüssigkeiten sind beliebte Bestandteile für Actionszenen in Filmen. Deshalb ist im Bereich der Computergrafik für visuelle Effekte (VFX) die Simulation und das Rendern von Flüssigkeiten eine häufig benötigte Fähigkeit. Die Flüssigkeitssimulationen sind dabei meist groß angelegt und decken Längenskalen im Meter- bis Kilometerbereich ab. Es gibt aber physikalische Effekte von Flüssigkeiten, die sich im kleinen Maßstab abspielen, aber eine auffällige optische Wirkung auch im Großen haben können. Die Berechnung dieser kleinskaligen Effekte benötigt eine sehr hohe Auflösung und ist deshalb bei der Simulation großer Szenen aus Zeit- und Kostengründen oft nicht möglich. Diese Dissertation diskutiert Strategien, um Fluidsimulationen mit kleinskaligen physikalischen Effekten zu ergänzen. Der erste Teil dieser Dissertation beschreibt eine VFX-Produktionspipeline für Flüssigkeitssimulationen, die die neuen Möglichkeiten von Cloud-Computing- Angeboten ausnutzt, um die Auflösung dank erweiterter Rechenleistung zu erhöhen und so mehr Details zu erreichen. Dabei wurde mittels einer Client/ Serverarchitektur und Remote-Procedure-Calls ein System aufgebaut, das interaktives Arbeiten an einer Simulationsszene in einer lokalen Applikation ermöglicht, in dem die aufwendigen Berechnungen der Simulation auf einem ausgelagerten Rechner in der Cloud stattfinden. Dabei wurde auch auf spezielle GPU-Hardware zurückgegriffen. Ein weiterer Beitrag im Rahmen dieses Systems ist die Einführung von “Blind Particles”, bei deren Verwendung es möglich wird, unnötige Partikel aus Datensätzen zu löschen, ohne das visuelle Ergebnis zu beeinflussen. Dadurch kann Bandbreite und Renderzeit gespart werden. Der zweite Teil der Dissertation stellt eine direkte Raytracing-Methode für implizit beschriebene Flüssigkeitsoberflächen vor, die die Kappilareffekte an den Grenzflächen zu Festkörpern berücksichtigt. Das Verfahren verwendet die analytische Lösung der Meniskusform an der Fluidgrenzfläche, um den Effekt der Oberflächenspannung zwischen Wasseroberfläche und Festkörper zu erzielen. Das Verfahren erzeugt korrekte Kontaktwinkel an den Rändern, ohne dass eine rechenintensive Simulation erforderlich ist. Zur Renderzeit kombiniert es die analytische Lösung für einen kleinskaligen Effekt mit der numerischen Lösung einer großskaligen Simulation. Das Verfahren garantiert den richtigen Kontaktwinkel und liefert in bestimmten Szenarien die richtige Lösung über die gesamte Grenzfläche; selbst in allgemeinen Szenarien liefert es plausible Ergebnisse. Im letzten Teil wird ein Verfahren vorgestellt, um Fluidströmungen auf sich entwickelnden Oberflächen zu simulieren, z.B. einen Ölfilm auf einer Wasseroberfläche. Bei einer animierten Oberfläche (z.B. extrahiert aus einer partikelbasierten Fluidsimulation) im dreidimensionalen Raum wird eine zweite Simulation auf der Eingabeoberfläche hinzugefügt. Im Allgemeinen wird eine partielle Differentialgleichung auf einer Level-Set-Oberfläche gelöst. Es werden Kopplungsstrategien zwischen Eingabeeigenschaften und der Simulation eingeführt, und Masse- und Impulserhaltung wird zu bestehenden Methoden hinzugefügt. Auf diese Weise werden hochauflösende 2D-Simulationen auf groben Eingabeflächen effizient berechnet.