211service.com
Få animerede væsker til at se mere realistiske ud
Bag kulisserne på de fleste film-specialeffekter er computere, der knuser intense matematiske ligninger. Og nogle af de mest komplekse typer af animationsligninger beskriver flydende bevægelse: alt fra lavastrømning til en eksplosion til stigningen og forsvinden af røgringe. Men mange gange er ligningerne, der er tilgængelige for animatorer, ikke gode nok til nøjagtigt at repræsentere og kontrollere væsker, siger Mathieu Desbrun , professor i datalogi ved California Institute of Technology, i Pasadena. For at få flydende animation til at se godt nok ud, siger han, vælger nogle animatorer at tegne det i hånden - en tidskrævende proces.
Den snurrende væske i denne snekugle adlyder nye ligninger for computersimuleringer udviklet hos Caltech. Forskerne hævder, at disse ligninger gør flydende bevægelser, der er mere realistiske, end hvad der er muligt med nutidens computeranimationssoftware.
Men Desbruns forskning kunne få væsker til at flyde bedre på skærmen. Han og hans team udvikler en helt ny tilgang til flydende bevægelse, baseret på ny matematik kaldet diskret differentialgeometri, der bruger ligninger designet specifikt til at blive løst af computere i stedet for mennesker. I sidste ende, siger han, har de potentialet til at reducere omkostningerne og tiden ved at lave et stykke animation. Nu hvor vi bruger computere, er det et helt nyt boldspil, siger han.
Multimedier
Se røg adlyde de nye væskedynamikligninger
Se en flydende karakter adlyde de nye væskedynamikligninger
Før computere, forklarer Desbrun, udviklede matematikere og fysikere ligninger for bevægelse af objekter som faste stoffer og væsker, og mange af dem kunne løses i hånden. I løbet af de sidste par årtier blev det klart, at computere kunne bruges til at løse mange af de mere vanskelige ligninger, så dataloger og matematikere tog det kendte sæt af ligninger og forsøgte at modificere dem til opgaven. De omarbejdede ligningerne, der forklarer de fysiske regler, og opdelte dem effektivt i hundredvis af adskillige bidder, så den digitale hjerne på en computer, som er god til at arbejde på mange af disse bidder på én gang, kunne løse dem.
Selvom der er blevet udført meget succesfuldt arbejde ved at bruge denne tilgang, siger Desbrun, er disse ligninger stadig kun omtrentlige bevægelser, og de har tendens til at producere unaturligt strømmende væsker. For eksempel, i tilfælde af et spabad, introducerer den traditionelle tilgang over tid fejl i bevægelsen, hvilket producerer kunstig viskositet: Det visuelle resultat er et hvirvlende spabad, der sænker farten uden åbenbar grund. En animator skal træde til for at ændre rammerne for at sikre, at væsken bliver ved med at bevæge sig den rigtige vej.
Desbruns tilgang er at skrive nye ligninger, der er baseret på fysiske egenskaber, der ikke er udtrykt i de traditionelle ligninger. For eksempel inkluderer traditionelle ligninger information om en væskes hastighed, og dette bruges til at tilnærme eller give en upræcis beskrivelse af en væskes bevægelse, hvis den begynder at hvirvle rundt. Men Desbruns ligninger omgår simpel hastighed og beskriver i stedet den hvirvlende bevægelse præcist, og på en måde, så computere nemt kan knaser. I stedet for bare at tilnærme dem, kan vi fange dynamikken trofast, siger han. Og vi viser, at det betaler sig visuelt.
I et papir offentliggjort i denne måned i tidsskriftet Transaktioner på grafik , Desbrun og hans team beskriver den tilgang, de tager til at modellere hvirvlende væsker omkring og inden for faste genstande såsom en snekugle. Den traditionelle tilgang ville tilnærme væskens hastighed på forskellige punkter i rum og tid og bruge denne til at tilnærme dens bevægelse langs en cirkulær bane. Men Desbruns ligninger modellerer væskens faktiske cirkulation, som om det var en egenskab lige så fundamental som hastighed.
For at simulere væskecirkulationen skal forskerne fange den grundlæggende egenskab ved den cirkulation, kaldet flux. Flux, eller mængden af væske, der bevæger sig gennem et rum på et givet tidspunkt, fanges ved at bryde boblebadet i små stykker og bestemme flowet ved hvert stykke. Disse værdier er foldet ind i bevægelsesligningen, så væsken kan flyde mere præcist.
Indtil videre, siger Desbrun, er resultaterne lovende. Denne tilgang har vist sig at give god statistisk forudsigelighed ... hvilket sikrer høj visuel kvalitet.
Forskningen kan have betydning for computergrafiksamfundet, siger Eva Kanso , professor i rumfart og maskinteknik ved University of Southern California i Los Angeles, som modellerer væsker beregningsmæssigt. Traditionelt, siger hun, var tendensen at bruge hurtige beregninger, der ligner virkeligheden, men ikke baseret på rigtig fysik. Det er et stort skridt for computergrafiksamfundet at se på fysiske love og forsøge at simulere dem, især nu med et stort behov for mere realistisk animation.
James O'Brien , professor i datalogi ved University of California, Berkeley, siger, at hvis den traditionelle beregningsmetode og Desbruns metode skulle gå side om side, ville der ikke være stor forskel på, hvor lang tid det tager at gengive en animation . Men, siger han, det virkelige punkt er at få flottere resultater for den samme mængde indsats.
Lige nu, siger Desbrun, er hans nye beregningsmetode ikke klar til bedste sendetid i softwaren, der findes på animationsstudier, men kolleger ved Columbia University undersøger muligheden. Vi har ikke skubbet vores forskning til det punkt, hvor vi kunne hjælpe filmselskaber med at tilføje mere kontrol over den måde, væsken flyder på, siger han. Men, tilføjer han, hvis ligningerne bruges i software, kunne kunstnere med et klik på en knap nemt ændre specialeffekter og animation langt mere præcist, end de kan i dag.