211service.com
Animované tekutiny vypadají realističtěji
Za scénou většiny filmových speciálních efektů jsou počítače, které chroupou intenzivní matematické rovnice. A některé z nejsložitějších typů animačních rovnic popisují pohyb tekutiny: cokoli od proudění lávy přes explozi až po vzestup a mizení prstenců kouře. Ale mnohokrát rovnice dostupné animátorům nejsou dost dobré na to, aby přesně reprezentovaly a řídily tekutiny, říká Mathieu Desbrun , profesor počítačových věd na California Institute of Technology v Pasadeně. Aby plynulá animace vypadala dostatečně dobře, říká, někteří animátoři se rozhodnou ji kreslit ručně, což je časově náročný proces.
Rotující kapalina v této sněhové kouli se řídí novými rovnicemi pro počítačové simulace vyvinuté v Caltech. Vědci tvrdí, že tyto rovnice vykreslují pohyb kapaliny, který je realističtější, než jaký je možný s dnešním softwarem pro počítačové animace.
Ale Desbrunův výzkum by mohl způsobit, že tekutiny proudí na obrazovce lépe. On a jeho tým vyvíjejí zcela nový přístup k pohybu tekutin, založený na nové matematice zvané diskrétní diferenciální geometrie, která využívá rovnice navržené speciálně pro řešení počítačem spíše než lidmi. Nakonec říká, že mají potenciál snížit náklady a čas na vytvoření animace. Nyní, když používáme počítače, je to zcela nová míčová hra, říká.
Multimédia
Sledujte, jak se kouř řídí novými rovnicemi dynamiky tekutin
Sledujte, jak se zkapalňující postava řídí novými rovnicemi dynamiky tekutin
Před počítači, vysvětluje Desbrun, matematici a fyzici vyvinuli rovnice pro pohyb objektů, jako jsou pevné látky a tekutiny, a mnohé z nich byly řešitelné ručně. Během několika posledních desetiletí se ukázalo, že počítače lze použít k řešení mnoha složitějších rovnic, takže počítačoví vědci a matematici vzali známou sadu rovnic a pokusili se je pro tento úkol upravit. Přepracovali rovnice vysvětlující fyzikální pravidla a efektivně je rozdělili na stovky četných kousků, aby je mohl vyřešit digitální mozek počítače, který umí pracovat se spoustou těchto kousků najednou.
I když bylo pomocí tohoto přístupu provedeno mnoho úspěšné práce, říká Desbrun, tyto rovnice stále pouze přibližují pohyb a mají tendenci produkovat nepřirozeně tekoucí kapaliny. Například v případě vířivky tradiční přístup časem vnáší do pohybu chyby a vytváří umělou viskozitu: vizuálním výsledkem je vířivá vířivka, která se bez zjevného důvodu zpomaluje. Animátor musí zasáhnout, aby upravil snímky, aby se ujistil, že se kapalina pohybuje správným směrem.
Desbrunův přístup spočívá v psaní nových rovnic, které jsou založeny na fyzikálních vlastnostech, které nejsou vyjádřeny v tradičních rovnicích. Například tradiční rovnice obsahují informace o rychlosti kapaliny, a to se používá k přiblížení nebo k nepřesnému popisu pohybu kapaliny, pokud začne vířit. Desbrunovy rovnice však obcházejí jednoduchou rychlost a místo toho přesně popisují vířivý pohyb a způsobem, který mohou počítače snadno rozdrtit. Místo toho, abychom je jen přibližovali, můžeme dynamiku zachytit věrně, říká. A ukazujeme, že se to vizuálně vyplatí.
V článku publikovaném tento měsíc v časopise Transakce s grafikou Desbrun a jeho tým popisují svůj přístup k modelování vířících tekutin kolem a uvnitř pevných objektů, jako je sněhová koule. Tradiční přístup by aproximoval rychlost kapaliny v různých bodech prostoru a času a použil by to k aproximaci jejího pohybu po kruhové dráze. Ale Desbrunovy rovnice modelují skutečnou cirkulaci kapaliny, jako by to byla vlastnost tak zásadní jako rychlost.
Aby bylo možné simulovat cirkulaci kapaliny, musí výzkumníci zachytit základní vlastnost této cirkulace, nazývanou tok. Tok nebo množství kapaliny, které se pohybuje prostorem v daném čase, je zachyceno rozbitím vířivky na malé kousky a určením průtoku u každého kusu. Tyto hodnoty jsou složeny do pohybové rovnice, což umožňuje, aby kapalina proudila přesněji.
Zatím, říká Desbrun, jsou výsledky slibné. Ukázalo se, že tento přístup poskytuje dobrou statistickou předvídatelnost … zajišťuje vysokou vizuální kvalitu.
Výzkum by mohl být významný pro komunitu počítačových grafiků, říká Eva Kanso , profesor leteckého a strojního inženýrství na University of Southern California v Los Angeles, který výpočtově modeluje tekutiny. Tradičně, říká, trendem bylo používat rychlé výpočty, které jsou podobné realitě, ale nejsou založené na skutečné fyzice. Pro komunitu počítačových grafiků je velkým krokem podívat se na fyzikální zákony a pokusit se je simulovat, zvláště nyní s velkým požadavkem na realističtější animaci.
James O'Brien , profesor počítačové vědy na Kalifornské univerzitě v Berkeley, říká, že pokud by tradiční výpočetní metoda a Desbrunova metoda měly jít proti sobě, nebyl by velký rozdíl v množství času, který zabere vykreslení animace. . Říká však, že skutečným smyslem je získat lépe vypadající výsledky za stejné množství úsilí.
Právě teď, říká Desbrun, jeho nový výpočetní přístup není připraven na hlavní vysílací čas v softwaru nalezeném v animačních studiích, ale kolegové z Kolumbijské univerzity tuto možnost zkoumají. Nedotáhli jsme náš výzkum do bodu, kdy bychom mohli pomoci filmovým společnostem přidat větší kontrolu nad tím, jak tekutina proudí, říká. Dodává však, že pokud se rovnice použijí v softwaru, umělci by mohli kliknutím na tlačítko snadno upravovat speciální efekty a animace mnohem přesněji než dnes.