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Methode schlägt Brücke zwischen effizienter Berechnung und realistischer Simulation
von Wasserwellen – Neuartige künstlerische Werkzeuge vereinfachen und erweitern Möglichkeiten für
Effekte in Filmen und Spielen
Wien (ist) - 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 Skrivan 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.
Originalpublikation: Stefan Jeschke,
Tomáš Skrivan, 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
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