Моделирование жидкости ( англ. fluid simulation ) — область компьютерной графики , использующая средства вычислительной гидродинамики для реалистичного моделирования, анимации и визуализации жидкостей, газов, взрывов и других связанных с этим явлений. Имея на входе некую жидкость и геометрию сцены, симулятор жидкости моделирует её поведение и движение во времени, принимая в расчёт множество физических сил, объектов и взаимодействий. Моделирование жидкости широко используется в компьютерной графике и ранжируется по вычислительной сложности от высокоточных вычислений для кинофильмов и спецэффектов до простых аппроксимаций, работающих в режиме реального времени и использующихся преимущественно в компьютерных играх .

Подходы

Существует несколько конкурирующих методов моделирования жидкости, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Наиболее распространёнными являются сеточные методы Эйлера, гидродинамика сглаженных частиц ( англ. smoothed particle hydrodynamics — SPH ), методы, основанные на завихрениях, и метод решёточных уравнений Больцмана . Эти методы возникли в среде вычислительной гидродинамики и были позаимствованы для практических задач в индустрии компьютерной графики и спецэффектов. Основное требование к данным методам со стороны компьютерной графики — визуальная правдоподобность. Иными словами, если наблюдатель при просмотре не может заметить неестественность анимации, то моделирование считается удовлетворительным. В физике, технике и математике, с другой стороны, основные требования предъявляются к физической корректности и точности моделирования, а не к её визуальному результату.

Разработка

В компьютерной графике самые ранние попытки решить уравнения Навье — Стокса в трёхмерном пространстве были предприняты в 1996 году Ником Фостером ( англ. Nick Foster ) и Димитрисом Метаксасом ( англ. Dimitris Metaxas ). Их работа в качестве основы использовала более раннюю работу по вычислительной гидродинамике, которая была опубликована в 1965 году Харлоу ( англ. Harlow ) и Уэлшем ( англ. Welch ). До работы Фостера и Метаксаса многие методы моделирования жидкости были построены на основе специальных систем частиц , методах снижения размерности (типа двухмерные модели мелких водяных объёмов типа луж) и полу-случайных шумовых турбулентных полях. В 1999 году на SIGGRAPH Джос Стэм ( англ. Jos Stam ) опубликовал метод так называемых «стабильных жидкостей» ( англ. Stable Fluids ), который использовал полу-лагранжевый метод адвекции и неявные интеграции вязкости для обеспечения безусловно устойчивого поведения жидкости. Это позволило моделировать жидкости со значительно большим временным шагом и в общем привело к более быстрым программам. Позже, в 2001—2002 годах, этот метод был расширен вместе со своими сотрудниками, благодаря чему стало возможным обрабатывать сложную модель воды в трёхмерной сцене с использованием ( англ. ).

Наибольший вклад в область моделирования жидкости внесли ( англ. ), ( англ. ), Марк Карлсон ( англ. Mark Carlson ), ( англ. ), Роберт Брайдсон ( англ. Robert Bridson ), Кен Мюсит ( англ. Ken Museth ) и ( англ. ).

Программное обеспечение

Ниже представлен набор наиболее известного и распространённого программного обеспечения, предназначенного для моделирования жидкости.

• RealFlow — компьютерная программа от Next Limit Technologies , изначально предназначенная исключительно для моделирования жидкостей посредством SPH, однако позже расширенная для моделирования газов, твёрдых и деформируемых тел и проч. В 2007 году разработчики «RealFlow» получили от Академии кинематографических искусств и наук за разработку своей программы.
• Свободный пакет для создания трёхмерной графики Blender содержит реализацию стабильного метода решёточных уравнений Больцмана для моделирования жидкости.
• — плагин для 3ds Max и Maya , использующий SPH.
• AfterBurn — популярный плагин к 3ds Max, среди прочего способный моделировать жидкость посредством системы частиц.
• — плагин к 3ds Max, моделирующий жидкости, газы, пламя и другие явления. Основан на внутренней технологии «VoxelFlow», которая использует несжимаемые уравнения Эйлера для массы и сохранения импульса.

Примечания

Ссылки

Англоязычные источники

Русскоязычные источники

• Лев Симонов «LEVel». (неопр.) 3. (24 февраля 2009). Дата обращения: 15 августа 2011. 15 мая 2012 года.
• Сергей Кольцов, Юлия Сазонова. (неопр.) . журнал (№9 за 2008 год). Дата обращения: 15 августа 2011. 15 мая 2012 года.