Het simuleren van de fysica achter de beweging van vloeistoffen en hoe vloeistoffen - dik of dun - omgaan met andere objecten is een belangrijk probleem bij visuele effecten. Om scenario's tot leven te brengen zoals een penseel dat roert en olieverf op een canvas smeert of spaghetti die in pastasaus wordt gegooid, vereist geavanceerde computermodellering. Dit soort scenario's, vooral, zijn moeilijk te simuleren vanwege de complexe reologie van vloeistof - hoe de vorm verandert en transformeert met beweging - en de ingewikkelde interacties tussen de vloeistof en de strengen.

Een team van computerwetenschappers pakt dit probleem in computergraphics aan met een roman, multi-schaal raamwerk dat realistisch en nauwkeurig de complexe dynamiek imiteert van strengen die in wisselwerking staan ​​met zogenaamde afschuifafhankelijke vloeistoffen, zoals modder, olieverf, gesmolten chocolade, of pastasaus. De onderzoekers, van Columbia Engineering en de Universiteit van Waterloo, presenteren hun werk op ACM SIGGRAPH Azië, gehouden van 17 tot 20 november in Brisbane, Australië. SIGGRAAF Azië, nu in zijn 12e jaar, trekt de meest gerespecteerde technische en creatieve mensen van over de hele wereld in computergraphics, animatie, interactiviteit, gamen, en opkomende technologieën.

Uniek aan dit werk is de nauwkeurige modellering van de complexiteit van vloeistofstrengdynamica. Stel je bijvoorbeeld een kom spaghetti voor, en proberen te animeren hoeveel saus zich vastklampt aan verschillende strengen van de pasta terwijl deze wordt rondgedraaid en met een vork uit een kom wordt getild. Om een ​​dergelijk scenario te simuleren, de methode van de onderzoekers verklaart de interactie tussen vloeistof en streng die op vele schalen optreedt - zowel op kleine schaal voor dunne strengen en hun oppervlaktestromen als op grote schaal voor bulkvloeistof.

"Het multischaalkarakter van dit probleem vormt een belangrijke uitdaging, " zegt Yun (Raymond) Fei, hoofdauteur van het werk die onlangs zijn Ph.D. in computerwetenschappen aan Columbia. "Het vereist dat ons simulatiemodel zowel een groot deel van de bewegende vloeistof als de kleine, gedetailleerde bewegingen door strengen en hun oppervlaktestromen."

Fei's medewerkers zijn onder meer co-auteurs Christopher Batty van de Universiteit van Waterloo-Canada en van Columbia Engineering, Eitan Grinspun en Changxi Zheng.

Voortbouwend op eerder werk in het animeren van nat haar, dit nieuwe rekenraamwerk houdt rekening met de volumeverandering van de vloeistof als deze door strengen gaat en de impulsuitwisseling tussen de strengen en de vloeistof. Hun raamwerk verklaart ook de samenhang tussen strengen en hoe de vloeiende bewegingen de strengbeweging beïnvloeden en vice versa. Het raamwerk bestaat uit drie componenten:een model dat de vloeistof simuleert die op het oppervlak van strengen stroomt, een model dat de beweging van individuele haarlokken en hun botsingen simuleert (bijvoorbeeld de kom spaghetti en saus), en een model dat de beweging van bulkvloeistof als een continuüm simuleert, zoals water dat uit een kraan stroomt.

"Ons algoritme brengt meerdere fysieke modellen samen op zowel fijne als grote schaal, en stelt de simulatie in staat om zeer complexe, rijke en multi-fysica verschijnselen in vloeistof-streng interacties, " zegt Zheng, universitair hoofddocent computerwetenschappen aan Columbia.

De onderzoekers demonstreerden hun methode op een breed scala aan materialen en een aantal voorbeelden, inclusief uitdagende scenario's met spatten, schudden, en het roeren van de vloeistof die ervoor zorgt dat de strengen aan elkaar blijven kleven en verstrikt raken. Bijvoorbeeld, om het samenhangende en wrijvingsgedrag van natte haren te illustreren, de methode werd gebruikt om op realistische wijze een met haar bedekte bal te simuleren die uit een modderpoel optilt en schudt. Als de beweging stopt, de haren plakken en klitten zoals verwacht. Een videodemonstratie van de nieuwe methode is hier te zien.

"Er is een schat aan voorbeelden van vloeiende strengen in de fysieke wereld die we geïnspireerd hebben om na te bootsen in de virtuele wereld, " zegt Grinspun, die het onderzoek uitvoerde terwijl hij universitair hoofddocent was bij Columbia Engineering; Grinspun is nu hoogleraar informatica aan de Universiteit van Toronto. "Wat we hebben kunnen bereiken en uitlenen aan artiesten en gebruikers is een nauwkeurig, multi-schaal techniek om rekening te houden met de lagen van geavanceerde wiskunde en natuurkunde achter deze complexe dynamiek."

De methode van het team kan direct worden toegepast bij het creëren van speciale effecten in de filmindustrie. Eerder werk van deze medewerkers is gebruikt door toonaangevende visuele effectenhuizen zoals WETA Digital, en in speelfilms, waaronder Moana en Jungle Book. Bij toekomstig werk, de onderzoekers stellen zich voor dat deze methode kan worden toegepast om te voorspellen hoe objecten bewegen en zich vormen bij de productie van cosmetica of bij het ontwerpen van robots.