Real-time watersimulatie levert ongekende details

• Een nieuw model overbrugt de kloof tussen realistische watergolven-simulatie en efficiënte computing.
• Het codeert golven met verschillende fysische parameters om kleine details bij grote resoluties te simuleren.
• Het kan gebruikt worden om de mogelijkheden van games, films en virtual reality-programma's te verbeteren.

Bestaande methoden van water- of golfsimulatie zijn in staat om ofwel realistische effecten ofwel snelle berekening te leveren: ze kunnen niet beide tegelijkertijd optimaliseren. Ze missen interacties met bewegende objecten en finite-element-methoden verantwoordelijk voor omgevingsinteracties.

Nu hebben 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 real-time te reproduceren.

Het kan de interacties van golven met obstakels simuleren terwijl kleine details behouden blijven en een heel grote scène wordt geaccommodeerd. Deze simulatie bevat een aggregaatbeweging van hoge-frequentie golven, zelfs bij lage resoluties waar willekeurige fasen beter passen bij ruisende golfbronnen als chaotische wind, splashes en drijvende materialen.

Hoe het werkt?

Bestaande golfsimulatietechnieken gebruiken ofwel 'Numerieke' ofwel 'Fourier-gebaseerde' methoden. De numerieke methode kan een verscheidenheid aan effecten in detail genereren, terwijl de Fourier-gebaseerde methode veel efficiënter is (gebruikt minder computationele resources). Het is vrijwel onmogelijk om deze methoden te gebruiken om kilometer-lange gedetailleerde scènes met nauwkeurige omgevingsinteracties te genereren.

Om de computationele snelheid van golven te verhogen, voert het nieuwe model discretisatie van golfamplitudes uit als functie van richting en frequentie, in plaats van de golfimpuls en hoogte op elk enkel punt te discretiseren.

Real-time animatieframe | Credit: Stefan Jeschke

Het team creëerde een wavelet-transformatie voor het discretiseren van de amplituden van de golven als functie van frequentie, richting en ruimte gecombineerd. De resulterende variabelen veranderen geleidelijk over de ruimte, wat dezelfde hoeveelheid data vertegenwoordigt (als de golfhoogtefunctie die in traditionele methoden gebruikt wordt) met minder variabelen.

Bovendien is het minder gevoelig voor conventionele frequentie-gebaseerde beperkingen zoals de Nyquist-limiet, die de maximale ruimtelijke frequentie transformeert in stapgrootte en grafische details. Daarom stelt de methode zowel lokale golfinteracties als hoge-resolutie golfdetails toe.

Ze creëerden nieuwe vergelijkingen om deze lokale frequentie-gebaseerde amplituden door de ruimte te propageren. De vergelijkingen leveren simpele tweedimensionale diffusie- en advectie-operaties op die parallel geïmplementeerd kunnen worden op grafische hardware.

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

Uitbreiding en toepassingen

De onderzoekers ontwikkelden een aantal fundamentele simulatie-uitbreidingen, waaronder 2-way vast-stof koppeling en vooraf ontworpen golfpaden. Ze hebben ook een tool ontworpen genaamd 'wave-painter' die werkt als een penseel in tekensoftware.

Het stelt kunstenaars in staat om de natuur (fysica met gescriptte bewegingen) te overschrijven en met gemak aangepaste scènes te creëren. Bijvoorbeeld, men kan deze tool gebruiken om de hoogte van de golf op een bepaalde locatie te verhogen.

Het is eenvoudig om deze simulaties te configureren en de waterstroom in zich constant veranderende omgevingen als oceanen en rivieren te modelleren. Het model zou ook de mogelijkheden van games, films en virtual reality-programma's kunnen vereenvoudigen en uitbreiden.

Lees ook: De eerste simulatie van atoomkern op een quantumcomputer

Onderzoekers plannen hun werk uit te breiden om te gaan met een meer algemene hoogte-gebaseerde dispersierelatie, wat nog betere brekingseffecten bij ondiep water zou creëren.