211service.com
Få animerade vätskor att se mer realistiska ut
Bakom kulisserna för de flesta filmspecialeffekter finns datorer som knarrar intensiva matematiska ekvationer. Och några av de mest komplexa typerna av animationsekvationer beskriver flytande rörelse: allt från lavaflöde till en explosion till uppkomsten och försvinnandet av rökringar. Men många gånger är ekvationerna tillgängliga för animatörer inte tillräckligt bra för att korrekt representera och kontrollera vätskor, säger Mathieu Desbrun , professor i datavetenskap vid California Institute of Technology, i Pasadena. För att få flytande animationer att se tillräckligt bra ut, säger han, väljer vissa animatörer att rita den för hand - en tidskrävande process.
Den snurrande vätskan i denna snöglob följer nya ekvationer för datorsimuleringar som utvecklats vid Caltech. Forskarna hävdar att dessa ekvationer ger flytande rörelser som är mer realistiska än vad som är möjligt med dagens datoranimeringsprogram.
Men Desbruns forskning kan få vätskor att flöda bättre på skärmen. Han och hans team utvecklar ett helt nytt tillvägagångssätt för flytande rörelse, baserat på ny matematik som kallas diskret differentialgeometri, som använder ekvationer som är utformade specifikt för att lösas av datorer snarare än människor. I slutändan, säger han, har de potential att minska kostnaderna och tiden för att göra ett stycke animation. Nu när vi använder datorer är det ett helt nytt bollspel, säger han.
Multimedia
Se rök lyda de nya vätskedynamiska ekvationerna
Se en flytande karaktär följa de nya vätskedynamiska ekvationerna
Innan datorer, förklarar Desbrun, utvecklade matematiker och fysiker ekvationer för rörelsen av föremål som fasta ämnen och vätskor, och många av dem var lösbara för hand. Under de senaste decennierna blev det klart att datorer kunde användas för att lösa många av de svårare ekvationerna, så datavetare och matematiker tog den kända uppsättningen av ekvationer och försökte modifiera dem för uppgiften. De omarbetade ekvationerna som förklarade de fysiska reglerna och delade upp dem i hundratals talrika bitar så att den digitala hjärnan i en dator, som är bra på att arbeta med många av dessa bitar samtidigt, kunde lösa dem.
Även om mycket framgångsrikt arbete har gjorts med detta tillvägagångssätt, säger Desbrun, är dessa ekvationer fortfarande bara ungefärliga rörelser, och de tenderar att producera onaturligt strömmande vätskor. Till exempel, i fallet med en bubbelpool, introducerar det traditionella tillvägagångssättet med tiden fel i rörelsen, vilket ger artificiell viskositet: det visuella resultatet är en virvlande bubbelpool som saktar ner utan uppenbar anledning. En animatör måste gå in för att modifiera ramarna för att se till att vätskan fortsätter att röra sig på rätt sätt.
Desbruns tillvägagångssätt är att skriva nya ekvationer som är baserade på fysikaliska egenskaper som inte uttrycks i de traditionella ekvationerna. Till exempel inkluderar traditionella ekvationer information om en vätskas hastighet, och detta används för att approximera, eller ge en inexakt beskrivning av, en vätskas rörelse om den börjar snurra runt. Men Desbruns ekvationer kringgår den enkla hastigheten och beskriver istället den virvlande rörelsen exakt, och på ett sätt som datorer lätt kan knäcka. Istället för att bara approximera dem kan vi fånga dynamiken troget, säger han. Och vi visar att det lönar sig visuellt.
I en tidning publicerad i tidskriften denna månad Transaktioner på grafik , Desbrun och hans team beskriver tillvägagångssättet de använder för att modellera virvlande vätskor runt och inuti fasta föremål som en snöglob. Det traditionella tillvägagångssättet skulle approximera vätskans hastighet vid olika punkter i rum och tid och använda detta för att approximera dess rörelse längs en cirkulär bana. Men Desbruns ekvationer modellerar den faktiska cirkulationen av vätskan, som om det vore en egenskap lika grundläggande som hastighet.
För att simulera cirkulationen av vätska måste forskarna fånga den grundläggande egenskapen hos den cirkulationen, som kallas flux. Flux, eller mängden vätska som rör sig genom ett utrymme vid en given tidpunkt, fångas upp genom att bryta upp bubbelpoolen i små bitar och bestämma flödet vid varje del. Dessa värden viks in i rörelseekvationen, vilket gör att vätskan kan flöda mer exakt.
Så här långt, säger Desbrun, är resultaten lovande. Detta tillvägagångssätt har visat sig ge god statistisk förutsägbarhet ... vilket säkerställer hög visuell kvalitet.
Forskningen kan vara betydelsefull för datorgrafikgemenskapen, säger Eva Kanso , professor i rymd- och maskinteknik vid University of Southern California, i Los Angeles, som modellerar vätskor beräkningsmässigt. Traditionellt, säger hon, var trenden att använda snabba beräkningar som liknar verkligheten men inte baserade på verklig fysik. Det är ett stort steg för datorgrafikgemenskapen att titta på fysiska lagar och försöka simulera dem, speciellt nu med en stor efterfrågan på mer realistisk animering.
James O'Brien , professor i datavetenskap vid University of California, Berkeley, säger att om den traditionella beräkningsmetoden och Desbruns metod skulle gå head-to-head, skulle det inte vara stor skillnad i hur lång tid det tar att rendera en animation . Men, säger han, den verkliga poängen är att få snyggare resultat för samma mängd ansträngning.
Just nu, säger Desbrun, är hans nya beräkningsmetod inte redo för bästa sändningstid i programvaran som finns i animationsstudior, men kollegor vid Columbia University undersöker alternativet. Vi har inte drivit vår forskning till den punkt där vi kan hjälpa filmbolag att lägga till mer kontroll över hur vätska strömmar, säger han. Men, tillägger han, om ekvationerna används i mjukvara kan artister, med ett knapptryck, enkelt modifiera specialeffekter och animationer mycket mer exakt än vad de kan idag.