Turbulence de surface pour des simulations de fluides basées sur un système de particules

Abstract

En simulation de fluides, il est très difficile d'obtenir des simulations contenant un haut niveau de détails efficacement dû à la complexité des phénomènes étudiés. Beaucoup de travaux se sont attaqués à ce problème afin de développer de nouvelles techniques permettant d'augmenter la résolution apparente des fluides à plus faibles coûts de calcul. Les nouvelles méthodes adaptatives ou multi-échelles ont permis de grandement améliorer la qualité visuelle des simulations de fumée et de liquides, mais certains problèmes demeurent toujours ouverts et au centre de nombreuses recherches.

L'objectif de ce mémoire est d'élaborer une méthode multi-échelles afin d'augmenter la résolution apparente d'une simulation de liquide basée sur un système de particules déjà existante, un type de simulation très populaire grâce à ses propriétés de conservation d'énergie. Une telle méthode permettrait d'obtenir des simulations de résolution apparente élevée à bien moindres coûts de calcul et permettrait ainsi aux artistes d'obtenir un aperçu de leur simulation plus rapidement, tout en ayant un résultat de haute qualité. Nous présentons une méthode permettant de reconstruire une surface d'une telle simulation qui soit encline à la simulation de dynamique de surface afin d'injecter des détails de hautes fréquences occasionnés par la tension de surface. Notre méthode détecte les endroits sous-résolus de la simulation et y injecte de la turbulence grâce à de multiples oscillateurs à différentes fréquences. Les vagues à hautes fréquences injectées sont alors propagées à l'aide d'une simulation d'onde sur la surface. Notre méthode s'applique totalement en tant que post-traitement et préserve ainsi entièrement le comportement général de la simulation d'entrée tout en augmentant nettement la résolution apparente de la surface de celle-ci.

Accurately simulating the behaviour of fluids remains a difficult problem in computer graphics, and performing these simulations at a high level of detail is particularly challenging due to the complexity of the underlying dynamics of a fluid. A recent and significant body of work targets this problem by trying to augment the apparent resolution of an underlying, lower-resolution simulation, instead of performing a more costly simulation at the full-resolution. Adaptive or multi-scale methods in this area have proven successful for simulations of smoke and liquids, but no comprehensive solution exists.

The goal of this thesis is to devise a new multi-scale detail-augmentation technique suitable for application atop existing particle-based fluid simulators. Particle simulations of fluid dynamics are a popular, heavily-used alternative to grid-based simulations due to their ability to better preserve energy, and no detail-augmentation techniques have been devised for this class of simulator. As such, our work would permit digital artists to perform more efficient lower-resolution particle simulations of a liquid, and then layer-on a detailed secondary simulation at a negligible cost.

To do so, we present a method for reconstructing the surface of a liquid, during the particle simulation, in a manner that is amenable to high-frequency detail injection due to higher-resolution surface tension effects. Our technique detects potentially under-resolved regions on the initial simulation and synthesizes turbulent dynamics with novel multi-frequency oscillators. These dynamics result in a high-frequency wave simulation that is propagated over the (reconstructed) liquid surface.

Our algorithm can be applied as a post-process, completely independent of the underlying simulation code, and so it is trivial to integrate in an existing 3D digital content creation pipeline.