13. August 2020

Die Schönheit der Natur einfangen

Wissenschaftern des IST Austria präsentieren drei neue Techniken zur Simulation der Komplexität der Natur.

Von großen Wasserfällen bis hin zu winzigen Seifenblasen – die Natur ist sowohl schön als auch komplex. Die Simulation ihrer Phänomene ist für wissenschaftliche Entdeckungen, moderne Technik und die digitalen Künste unerlässlich. Während dazu normalerweise Supercomputer notwendig sind, überwinden Professor Christopher Wojtan und sein Team diese Komplexität, indem sie Physik, Mathematik und algorithmische Optimierungen aus der Informatik kombinieren.

Ihre Forschung erzielt einige der schnellsten und detailliertesten Simulationen der Welt, indem sie die zugrundeliegenden mathematischen Modelle erfassen und neue Berechnungsmethoden erfinden. Auf der Siggraph Konferenz, der weltweit größter Konferenz für Computergrafik und Animation, präsentieren ab 17. August die Wissenschafter der Wojtan Gruppe nun drei ihrer Entdeckungen.

Wellen über Wellen

Wellen sind traumhaft auf einer Reise, aber ein Alptraum in der 3D-Animation. Während Wassersimulationen in den letzten zehn Jahren unglaublich realistisch wurden, führt die immense benötigte Rechenleistung zu Einschränkungen, die normalerweise auf der simulierten Wasseroberfläche sichtbar werden.

Nun stellt Tomáš Skřivan eine neue Methode vor, mit der die Details einer Flüssigkeitsoberfläche auf physikalisch plausible Weise und mit geringem Rechenaufwand verbessert werden können. Seine Methode startet mit einer vorhandenen Simulation und simuliert darauf viele weitere detaillierte Wasserwellen. Die Technik erzeugt Wellen mit dispersivem Verhalten, das an die zugrundeliegende Flüssigkeitssimulation angepasst ist.

Sehen Sie sich die Wave Curves Projektseite für weitere Informationen an.

Garn und Faden

Eine falsche Naht entscheidet über das Schicksal eines Pullovers oder einer Socke. Wie sich ein Kleidungsstück anfühlt, wie es sich dehnt und verbiegt, hängt nur vom Muster und der Qualität der Stiche ab. Obwohl es sich dabei um scheinbar einfache Objekte handelt, sind ihre Stiche und Muster aus mathematischer Sicht hochinteressant. Für Simulationen könnte man jeden einzelnen zusammenhängenden Faden simulieren, aber das würde immense Rechenleistung erfordern. Ein anderer Ansatz besteht darin, Fasern als gemitteltes effektives Material und nicht einzeln zu behandeln. Diese Simulationen sind effizienter, aber ein Modell zu finden, das dem Originalstoff entspricht, ist schwierig.

Georg Sperl hat nun jedoch eine clevere neue Strategie geschaffen, um realistische Materialmodelle für Stoffe zu finden. Er lässt hunderte Simulationen von miteinander interagierenden Fäden vorausberechnen und  automatisch wird dann ein Computermodell erstellt, das diese Effekte reproduziert. Dieses baut der Wissenschafter in einen Simulator für Stoffe ein. Diese Technik leitet die Eigenschaften eines Materials direkt aus seiner Geometrie ab. Ohne das reale Experimente oder Messungen erforderlich sind. Damit schuf die Forschungsgruppe numerisch erzeugte effektive Material zur Animation von gewebten und gestrickten Stoffen. Ihre Technik ist in der Lage, gängige textile Phänomene wie Anisotropie, Flächenerhaltung und Kräuselung zu reproduzieren.

Sehen Sie sich die Homogenized Yarn Projektseite für weitere Informationen an.

Seifenfilme

Seifenfilme, Seifenblasen und Schaum besitzen eine faszinierende und schöne Geometrie, Dynamik und Farbe. Kontinuierliche Veränderungen in Seifenfilmen führen zu den charakteristischen wirbelnden Lichtmustern. Bisherige Animationen konzentrierten sich nur auf die Oberfläche und Form der Blase, vernachlässigten aber ihre Dicke. Diese zu starke Vereinfachung früherer Methoden verhindert jedoch das Auftreten charakteristischer Phänomene wie Wirbel, Wellenmuster, schwerkraftabhängige Schwankungen der Filmdicke und sogar das Platzen der Blase.

Sadashige Ishida und Peter Synak beziehen eine dynamische Dicke des Seifenfilms in die Blasensimulation ein. Mit mathematischen Gleichungen beschreiben sie die Verschiebung des Seifenfilms und die Verformung der Seifenblasen. Ihre Simulationen verbessern die modernen Seifenblasensimulationen durch zusätzliche Effekte, die durch Konvektion, Kräuselung, Entleerung und Dünnschichtverdunstung verursacht werden.

Sehen Sie sich die Evolving Soap Film Projektseite für weitere Informationen an.



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