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Computergraphik

Hauptseminar - Wintersemester 2007/08 

Computergrafische Modellierung von Rauch

Lehrstuhl für Computergraphik und Visualisierung


Student: Stefan Koppitz
Betreuer: Dipl.-Phys. Niels v. Festenberg

Beschreibung

Im folgenden werde ich das Paper von Fedkiw et al. "Visual Simulation of Smoke" [FSJ01] vorstellen. Dieses erschien 2001 und wurde auf der SIGGRAPH vorgestellt.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Modell zur Simulation von Gasen wie Rauch vorgestellt. Die Dynamik des Rauchs wurde mit Hilfe der Euler-Gleichungen beschrieben. Gelöst wurden diese, indem die Euler-Gleichungen in berechenbare Einzelteile zerlegt und nacheinander berechnet wurden. Der Advektionsterm wird durch eine Semi-Lagrange'sche Integration berechnet. Durch Einführung des sogenannten Vorticity Confinement wurden numerische Dämpfungen, ausgelöst durch den Semi-Lagrange'schen Ansatz, ausgeglichen, indem die verloren gegangene Energie wieder an den Stellen des Verlusts hinzugefügt wurden. Dabei bleibt das Modell stabil, solange die zugefügte Kraft unter einer bestimmten Grenze bleibt. Es ist, obwohl noch der Mehraufwand durch die Berechnung der zusätzlichen Kraft hinzukommt, ähnlich schnell wie das Modell von [STA98]. Es ist auch möglich, physikalische Grenzen und Hindernisse in das Modell einzufügen. Der Rauch wirbelt dann korrekt um diese herum bzw. vorbei. Zum Rendern wurden zwei unterschiedliche Renderer vorgestellt. Zum einen war das der flexible und schnelle Hardware-basierte Renderer. Er stellt den Rauch in einem zweistufigen Verfahren ähnlich der direkten Volumenvisualisierung dar. Der zweite, physikalisch korrektere und visuell qualitativ bessere Renderer ist der Photon-Map-Renderer. Er nutzt das Photon-Mapping-Verfahren für Partikelwolken aus [JC98]. Die Interaktion mit anderen Objekten und der Umgebung macht dieses Verfahren zur Rauchsimulation ideal für computergrafische Belange, wo visuelle Qualität und Schnelligkeit im Vordergrund stehen.

Ergebnisse

Die folgenden Bilder sind aus dem Paper "Visual Simulation of Smoke" entnommen und zeigen die erreichbare Qualität der Rauchsimulation. Sehr gut zu sehen ist der thermische Auftrieb und die Interaktion des Rauchs mit anderen Objekten.

Aufsteigender Rauch
Aufsteigender Rauch
Rauch mit Kugel
Rauch mit Kugel

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Quellen

Stand: 1.2.2010, 14:56 Uhr
Autor: Dipl.-Medieninf. Sören König