Realtime watersimulatie levert ongeëvenaarde details

• Een nieuw model overbrugt de kloof tussen realistische watergolfsimulatie en efficiënt computergebruik. 
• Het codeert de golven met verschillende fysieke parameters om kleine details met grote resoluties te simuleren. 
• Het kan worden gebruikt om de mogelijkheden van games, films en virtual reality-programma's te verbeteren.  

Bestaande methoden voor water- of golfsimulatie kunnen realistische effecten opleveren of snelle berekeningen opleveren:ze kunnen niet beide tegelijkertijd optimaliseren. Ze missen interacties met bewegende objecten en eindige-elementenmethoden die verantwoordelijk zijn voor omgevingsinteracties.

Nu hebben de onderzoekers van het Institute of Science and Technology Austria en NVIDIA een nieuwe techniek ontwikkeld die deze kloof overbrugt door complexe interacties met de omgeving in realtime te reproduceren.

Het kan de interacties van golven met obstakels simuleren, terwijl het kleine details behoudt en een zeer grote scène herbergt. Deze simulatie biedt een geaggregeerde beweging van hoogfrequente golven, zelfs bij lage resoluties waarbij jitterfasen beter passen bij luidruchtige golfbronnen zoals chaotische wind, spatten en zwevende materialen.

Hoe het werkt?

De bestaande golfsimulatietechnieken maken gebruik van een ‘numerieke’ of een ‘Fourier-gebaseerde’ methode. De numerieke methode kan een verscheidenheid aan effecten in details genereren, terwijl de op Fourier gebaseerde methode veel efficiënter is (gebruikt minder rekenbronnen). Het is vrijwel onmogelijk om deze methoden te gebruiken om kilometerslange scènes op gedetailleerd niveau te genereren met nauwkeurige omgevingsinteracties.

Om de rekensnelheid van golven te verhogen, voert het nieuwe model een discretisatie uit van de golfamplitudes als een functie van richting en frequentie, in plaats van het golfmomentum en de golfhoogte op elk afzonderlijk punt te discretiseren.

Realtime animatieframe | Krediet:Stefan Jeschke

Het team creëerde een wavelet-transformatie om de amplitudes van de golven te discretiseren als een functie van de gecombineerde frequentie, richting en ruimte. De resulterende variabelen veranderen geleidelijk in de ruimte en vertegenwoordigen dezelfde hoeveelheid gegevens (als de golfhoogtefunctie die in traditionele methoden wordt gebruikt) met minder variabelen.

Bovendien is het minder gevoelig voor conventionele frequentiegebaseerde beperkingen zoals de Nyquist-limiet, die de maximale ruimtelijke frequentie omzet in stapgrootte en grafische details. Daarom maakt de methode zowel lokale golfinteracties als golfdetails met hoge resolutie mogelijk.

Ze creëerden nieuwe vergelijkingen om deze lokale, op frequenties gebaseerde amplitudes door de ruimte te verspreiden. De vergelijkingen resulteren in eenvoudige tweedimensionale diffusie- en advectiebewerkingen die parallel op grafische hardware kunnen worden geïmplementeerd.

Referentie:ASL DL | doi:10.1145/3197517.3201336 | IST Oostenrijk 

Extensies en toepassingen



De onderzoekers ontwikkelden enkele fundamentele simulatoruitbreidingen, waaronder een tweeweg-vaste-vloeistofkoppeling en vooraf ontworpen golfpaden. Ze hebben ook een tool ontworpen met de naam ‘wave-painter’, die in tekensoftware als een penseel fungeert.

Hiermee kunnen artiesten de natuur (natuurkunde met scriptbewegingen) overschrijven en gemakkelijk aangepaste scènes maken. Je kunt dit hulpmiddel bijvoorbeeld gebruiken om de hoogte van de golf op een bepaalde locatie te verhogen.

Het is eenvoudig om deze simulaties te configureren en de waterstroming te modelleren in steeds veranderende omgevingen zoals oceanen en rivieren. Het model zou ook de mogelijkheden van games, film en virtual reality-programma's kunnen vereenvoudigen en uitbreiden.

Lees:De eerste simulatie van de atoomkern op een kwantumcomputer

Onderzoekers zijn van plan hun werk uit te breiden om zich bezig te houden met een meer algemene, op hoogte gebaseerde dispersierelatie, die nog betere brekingseffecten zou creëren in de buurt van ondiep water.