Neue Wassersimulation erfasst kleine Details auch in großen Szenen

Wenn Designer Wasser und Wellen simulieren wollen, hatten sie bisher die Wahl zwischen einer schnellen Berechnung oder realistischen Effekten, denn die verfügbaren Methoden konnten nur entweder das eine oder das andere optimieren.

Eine von Forschern des Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) und NVIDIA entwickelte Methode löst nun dieses Problem. Ihre Simulationsmethode kann komplexe Interaktionen mit der Umgebung und winzige Details über große Flächen in Echtzeit darstellen.

Darüber hinaus erleichtert sie Grafikdesignern das Erzeugen künstlerischer Effekte. Die Autoren präsentieren ihre Arbeiten auf der alljährlichen Top-Konferenz für Computergrafik, der SIGGRAPH, bei der IST Austria-Forscher heuer insgesamt fünf verschiedene Projekte vorstellen.

Wasserwellensimulationen basieren derzeit auf einer von zwei verfügbaren Methoden: So genannte Fourier-basierte Methoden sind effizient, können aber keine komplizierten Wechselwirkungen modellieren, wie zum Beispiel Wasser, das auf eine Insel trifft. Numerische Verfahren andererseits können eine Vielzahl solcher Effekte simulieren, sind jedoch viel rechenintensiver.

„Szenen mit Details auf der Ebene winziger Wellen und mit Interaktionen mit kilometerlangen Inseln waren entweder unmöglich oder völlig unpraktisch“, sagt Chris Wojtan, Professor am IST Austria. „Unsere Methode macht diese große Bandbreite an Größenordnungen und Effekten möglich, und das in Echtzeit.“ Das Team hinter der neuen Methode besteht neben Chris Wojtan noch aus Tomáš Skřivan von IST Austria und Stefan Jeschke, Matthias Müller-Fischer, Nuttapong Chentanez und Miles Macklin von NVIDIA.

Die Entwicklung der neuen Methode erforderte Einfallsreichtum, sowie ein tiefes Verständnis der zugrunde liegenden Physik. „Wir haben die Wellen mit anderen physikalischen Parametern codiert, als sie bisher verwendet wurden“, erklärt Wojtan. „Im Grunde genommen brachte uns das Werte, die sich wesentlich langsamer verändern als die bisher verwendeten, sodass wir kleine Details in sehr großer Auflösung simulieren konnten.“

Diese Details ermöglichen die Darstellung einer Vielzahl von Effekten, die bisher unmöglich oder extrem rechenintensiv waren. Beispiele dafür sind Objekte, die auf realistische Weise im Wasser landen (auch tausende von Objekten, die gleichzeitig landen, sind möglich) oder Wasser, das von den Seiten eines sich bewegenden Bootes reflektiert wird.

Jeschke, Erstautor und ehemaliger Postdoc am IST Austria, betont die Einsatzmöglichkeiten in detaillierten künstlerischen Simulationen, beispielsweise für Spiele, Filme oder Virtual-Reality-Programme. „Die Kombination aus Größe, Detailgenauigkeit und Rechengeschwindigkeit ist für die Branche ein großer Fortschritt“, sagt er.

„Außerdem ist es aufgrund der Art wie wir unsere Simulation codieren einfach, sie zu verändern und den Wasserfluss in verschiedenen Umgebungen wie Flüssen oder Ozeanen zu modellieren. Unsere Methode erlaubt es den Künstlern, die Natur einfach zu überschreiben und Szenen schneller als je zuvor zu erstellen.“ Das Team hat bereits ein solches Werkzeug entworfen: Den „wavepainter“, also eine Art „Wellenmaler“. Er arbeitet wie der Pinsel in einem Zeichenprogramm und vergrößert die Wellen in dem Gebiet in dem der Künstler malt. Der wavepainter kann auch angepasst werden, um Wellen zu erzeugen, die in eine bestimmte Richtung fließen wie es in Flüssen der Fall ist.

Beispiele für Simulationen mit der neuen Methode können unter folgenden Links angesehen werden:
http://pub.ist.ac.at/group_wojtan/projects/2018_Jeschke_WaterSurfaceWavelets/Wat…
http://pub.ist.ac.at/group_wojtan/projects/2018_Jeschke_WaterSurfaceWavelets/Wat…

Projektseite (einschließlich Originalpublikation): http://visualcomputing.ist.ac.at/publications/2018/WSW/

Über das IST Austria
Das Institute of Science and Technology (IST Austria) in Klosterneuburg ist ein Forschungsinstitut mit eigenem Promotionsrecht. Das 2009 eröffnete Institut widmet sich der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften, Mathematik und Computerwissenschaften. Das Institut beschäftigt ProfessorInnen nach einem Tenure-Track-Modell und Post-DoktorandInnen sowie PhD StudentInnen in einer internationalen Graduate School. Neben dem Bekenntnis zum Prinzip der Grundlagenforschung, die rein durch wissenschaftliche Neugier getrieben wird, hält das Institut die Rechte an allen resultierenden Entdeckungen und fördert deren Verwertung. Der erste Präsident ist Thomas Henzinger, ein renommierter Computerwissenschaftler und vormals Professor an der University of California in Berkeley, USA, und der EPFL in Lausanne

Stefan Jeschke
jeschke@stefan-jeschke.com

Stefan Jeschke, Tomáš Skřivan, Matthias Müller-Fischer, Nuttapong Chentanez, Miles Macklin, and Chris Wojtan. 2018. Water Surface Wavelets. ACM Trans. Graph. 37, 4, Article 1 (August 2018), 13 pages. DOI: 10.1145/3197517.3201336
http://pub.ist.ac.at/group_wojtan/projects/2018_Jeschke_WaterSurfaceWavelets/Wat…

http://pub.ist.ac.at/group_wojtan/projects/2018_Jeschke_WaterSurfaceWavelets/Wat… Beispiel einer Simulation
http://pub.ist.ac.at/group_wojtan/projects/2018_Jeschke_WaterSurfaceWavelets/Wat… weiteres Beispiel
http://visualcomputing.ist.ac.at/publications/2018/WSW/ Projektseite