Flüssige Animation - Fluid animation
Fluidanimation bezieht sich auf Computergrafiktechniken zum Erzeugen realistischer Animationen von Flüssigkeiten wie Wasser und Rauch. Flüssigkeitsanimationen konzentrieren sich in der Regel auf die Emulation des qualitativen visuellen Verhaltens einer Flüssigkeit, wobei weniger Wert auf rigorose physikalische Ergebnisse gelegt wird, obwohl sie häufig immer noch auf Näherungslösungen der Euler-Gleichungen oder Navier-Stokes-Gleichungen beruhen , die die reale Flüssigkeitsphysik regeln. Flüssige Animationen können mit unterschiedlicher Komplexität durchgeführt werden, von zeitaufwändigen, hochwertigen Animationen für Filme oder visuelle Effekte bis hin zu einfachen und schnellen Animationen für Echtzeitanimationen wie Computerspiele.
Beziehung zur numerischen Strömungsmechanik
Fluidanimation unterscheidet sich von Computational Fluid Dynamics (CFD) darin, dass Fluidanimation hauptsächlich für visuelle Effekte verwendet wird, während Computational Fluid Dynamics verwendet wird, um das Verhalten von Flüssigkeiten auf wissenschaftlich strenge Weise zu untersuchen.
Entwicklung
Die Entwicklung von Fluid-Animationstechniken basierend auf den Navier-Stokes-Gleichungen begann 1996, als Nick Foster und Dimitris Metaxas Lösungen für 3D-Navier-Stokes-Gleichungen in einem Computergrafikkontext implementierten , basierend auf einem wissenschaftlichen CFD-Papier von Harlow und Welch von 1965. Bis zu diesem Zeitpunkt wurden hauptsächlich eine Vielzahl einfacherer Methoden verwendet, darunter Ad-hoc-Partikelsysteme, niederdimensionale Techniken wie Höhenfelder und semi-zufällige turbulente Rauschfelder.
1999 veröffentlichte Jos Stam die "Stable Fluids"-Methode, die eine Semi-Lagrange- Advektionstechnik und implizite Integration der Viskosität nutzte , um ein bedingungslos stabiles Verhalten zu erzielen. Dies ermöglichte viel größere Zeitschritte und damit schnellere Simulationen. Diese allgemeine Technik wurde von Ronald Fedkiw und Co-Autoren erweitert, um realistischeren Rauch und Feuer sowie komplexe 3D-Wassersimulationen mit Varianten der Level-Set-Methode zu handhaben .
Einige bemerkenswerte akademische Forscher auf diesem Gebiet sind Jerry Tessendorf, James F. O'Brien , Ron Fedkiw , Mark Carlson, Greg Turk , Robert Bridson , Ken Museth und Jos Stam .
Software
Viele 3D-Computergrafikprogramme implementieren Fluidanimationstechniken. RealFlow ist ein eigenständiges kommerzielles Paket, das verwendet wurde, um visuelle Effekte in Filmen, Fernsehsendungen, Werbespots und Spielen zu erzeugen. RealFlow implementiert einen Solver für fluid-implizite Partikel (FLIP; eine Erweiterung der Partikel-in-Zell- Methode), ein Hybridgitter und eine Partikelmethode , die erweiterte Funktionen wie Schaum und Spray ermöglicht . Maya und Houdini sind zwei weitere kommerzielle 3D-Computergrafikprogramme, die flüssige Animationen ermöglichen.
Blender ist ein Open-Source- 3D-Computergrafikprogramm, das bis zur Integration des Open-Source-Mantaflow-Projekts im Jahr 2020 mit einer breiten Palette von Navier-Stokes-Solver-Varianten eine partikelbasierte Lattice-Boltzmann-Methode zur Animation von Flüssigkeiten verwendet.