Echtzeit-Wassersimulation liefert unübertroffene Details

• Ein neues Modell schließt die Lücke zwischen realistischer Wasserwellensimulation und effizienter Berechnung. 
• Es kodiert die Wellen mit unterschiedlichen physikalischen Parametern, um kleine Details bei großen Auflösungen zu simulieren. 
• Es kann verwendet werden, um die Fähigkeiten von Spielen, Filmen und Virtual-Reality-Programmen zu verbessern.  

Bestehende Methoden der Wasser- oder Wellensimulation sind in der Lage, entweder realistische Effekte oder schnelle Berechnungen zu liefern; sie können nicht beides gleichzeitig optimieren. Ihnen fehlen Interaktionen mit sich bewegenden Objekten und Finite-Elemente-Methoden, die für Umweltinteraktionen verantwortlich sind.

Jetzt haben die Forscher des Institute of Science and Technology Austria und NVIDIA eine neue Technik entwickelt, die diese Lücke schließt, indem sie komplexe Interaktionen mit der Umgebung in Echtzeit reproduziert.

Es kann die Wechselwirkungen von Wellen mit Hindernissen simulieren und dabei winzige Details beibehalten und eine sehr große Szene aufnehmen. Diese Simulation zeigt eine aggregierte Bewegung hochfrequenter Wellen, selbst bei niedrigen Auflösungen, wo Jitterphasen besser zu verrauschten Wellenquellen wie chaotischem Wind, Spritzern und schwebenden Materialien passen.

Wie funktioniert es?

Die bestehenden Wellensimulationstechniken verwenden entweder eine „numerische“ oder eine „Fourier-basierte“ Methode. Die numerische Methode kann im Detail eine Vielzahl von Effekten erzeugen, wohingegen die Fourier-basierte Methode wesentlich effizienter ist (weniger Rechenressourcen verbraucht). Es ist völlig unmöglich, mit diesen Methoden kilometerlange, detaillierte Szenen mit präzisen Umgebungsinteraktionen zu generieren.

Um die Rechengeschwindigkeit von Wellen zu erhöhen, führt das neue Modell eine Diskretisierung der Wellenamplituden als Funktion von Richtung und Frequenz durch, anstatt den Impuls und die Höhe der Welle an jedem einzelnen Punkt zu diskretisieren.

Echtzeit-Animationsrahmen | Bildnachweis:Stefan Jeschke

Das Team erstellte eine Wavelet-Transformation zur Diskretisierung der Amplituden der Wellen als Funktion von Frequenz, Richtung und Raum zusammen. Die resultierenden Variablen ändern sich im Laufe des Raums allmählich und stellen die gleiche Datenmenge (als Wellenhöhenfunktion, die in herkömmlichen Methoden verwendet wird) mit weniger Variablen dar.

Darüber hinaus ist es weniger empfindlich gegenüber herkömmlichen frequenzbasierten Einschränkungen wie dem Nyquist-Limit, das die maximale Ortsfrequenz in Schrittgröße und grafische Details umwandelt. Daher ermöglicht die Methode sowohl lokale Welleninteraktionen als auch hochauflösende Wellendetails.

Sie erstellten neue Gleichungen, um diese lokalen frequenzbasierten Amplituden durch den Raum zu verbreiten. Die Gleichungen ergeben einfache zweidimensionale Diffusions- und Advektionsoperationen, die parallel auf Grafikhardware implementiert werden können.

Referenz:ASL DL | doi:10.1145/3197517.3201336 | IST Österreich 

Erweiterung und Anwendungen



Die Forscher entwickelten einige grundlegende Simulatorerweiterungen, darunter eine 2-Wege-Feststoffflüssigkeitskopplung und vorgefertigte Wellenpfade. Sie haben auch ein Tool namens „Wave-Painter“ entwickelt, das wie ein Pinsel in einer Zeichensoftware funktioniert.

Es ermöglicht Künstlern, die Natur (Physik mit Skriptbewegungen) zu überschreiben und ganz einfach benutzerdefinierte Szenen zu erstellen. Mit diesem Werkzeug kann man beispielsweise die Höhe der Welle an einem bestimmten Ort erhöhen.

Es ist einfach, diese Simulationen zu konfigurieren und den Wasserfluss in sich ständig verändernden Umgebungen wie Ozeanen und Flüssen zu modellieren. Das Modell könnte auch die Möglichkeiten von Spielen, Filmen und Virtual-Reality-Programmen vereinfachen und erweitern.

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Die Forscher planen, ihre Arbeit auszuweiten, um sich mit einer allgemeineren höhenbasierten Dispersionsbeziehung zu befassen, die zu noch besseren Brechungseffekten in der Nähe von flachem Wasser führen würde.