Tópicos Especiais em Animação de Fluidos e Visualização...
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Tópicos Especiais em Animação de Fluidos eVisualização Cientíca (GB 500)
Gilson Antonio Giraldi - [email protected]
Laboratório Nacional de Computação Cientíca-LNCC/MCTI
Mar 13th, 2019
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Tópicos do Curso
Tópicos do Curso
1 Introdução2 Visualização Cientíca versus Animação de Fluidos3 Aplicações4 Fluxo de Dados
1 Modelo da Cena2 Simulação de Fluidos3 Técnicas de Rendering
5 Representação de dados1 Representação Baseada em Malhas2 Representação Baseada em Pontos
6 Técnicas em Visualização Cientíca1 Visualização de Campos Escalares
1 Extração de superfícies2 Volume Rendering
2 Visualização de Campos Vetoriais e Tensoriais
1 Linhas de Campo2 Topologias de Campo
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Introdução
7 Rendering foto-realista de uidos
8 Animação Computacional de Fluidos
1 Modelagem do Ambiente (Cena)
2 Simulação de Fluidos via Equações de Navier-Stokes e SPH
3 Simulação de Fluidos via Método de Lattice Boltzmann
9 Avaliação(LNCC) 2 / 26
Introdução
Objetivo e Motivação
Visualização de dados cientícos e geração de efeitos visuais via paraanimação de uidos.
Motivação: Onde queremos chegar?
Figura: Gerada na Universidade de Freiburg. Ver Video01.
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Introdução
Motivação: Onde estamos?
Figura: Web site: http://visuid.lncc.br/videos.html. Ver Video02.
Aplicações: Análise e dados cientícos, efeitos visuais para cinema, televisão, industria
de jogos eletrônicos, visualização cientíca e simuladores [Siggraph, 2015, Pixar, 2016]
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Introdução
Aplicações: Visualização Cientíca em Medicina
Figura: Animação de campos escalares/vetoriais em hemodinâmicacomputacional. Ver Video03.
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Introdução
Aplicações: Visualização Cientíca em Medicina
Figura: Animação de campos escalares/vetoriais em hemodinâmica parasimuladores.
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Introdução
Aplicações: Visualização Cientíca em Engenharia
Figura: Animação de campos escalares/vetoriais em engenharia.
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Introdução
Aplicações: Efeitos visuais para Propagandas
Figura: Geração de efeitos visuais, via animação de uidos, para propagandas eCinema.
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Introdução
Aplicações: Efeitos visuais para Jogos
Figura: Geração de efeitos visuais, para jogos via animação de uidos.
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Introdução
Animação: Conferencias, Web Sites e Livros
Siggraph 2016 [ACM, 2016]
Sibgrapi 2016 [SBC, 2016]
Pixar [Pixar, 2016]ACM Trans. on Graphics [Siggraph, 2015]
Livros:The Art of Fluid Animation [Stam, 2015]Fluid simulation for computer graphics [Bridson, 2008]Fluid Frames: Experimental Animation with Sand, Clay, Paint, andPixels [Parks, 2015]Foundations of Physically Based Modeling andAnimation[House and Keyser, 2016]Physics-based Animation [Erleben et al., 2005]Physically Based Rendering: From Theory To Implementation[Pharr and Humphreys, 2010]
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Introdução
Animação: Softwares e Bibliotecas
RenderMan [Pixar, 2017]POV-Ray [POV-Ray, 2017]Physics for Rendering [PBRT, 2016]Blender [Fundation, 2017, Motion, 2015]RealFlow [Limit, 2016]
Figura: Pixar's PhotoRealistic RenderMan and 'Finding Nemo'.(LNCC) 10 / 26
Introdução
Animação de Fluídos
Fluxo de Dados em Animação de Fluídos
Modelo Geométrico da Cena
Modelo Físico de Fluidos
Equações de Navier-Stokes e Diferenças/Elementos FinitosMétodo Lattice-Boltzmann (LBM)Método Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)
Outros.
Modelos de iluminação (rendering)
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Introdução
Modelagem da Cena
Representação da geometria dos objetos
Malhas poligonais e subdivisão espacial
Figura: From https://www.lifewire.com/
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Introdução
Representação da geometria dos objetos
Nuvens de Pontos
Figura: From Freiburg University. Ver Video01.
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Introdução
Representação da geometria dos objetos
Superfícies NURBS
Figura: From https://www.behance.net/.
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Introdução
Modelos Físicos e Simulação de Fluidos
Denição de domínioInteração com fronteira do dominioInteração com objetos da cenaModelo de uidoInicialização do uidoSimulação do sistemaResultado: Campos escalares e/ou vetoriais
Figura: https://youtu.be/6hiyYoKSXQ0. Ver Video04.
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Introdução
Convertendo dados em Imagens
Figura: Pipeline generico para geração de imagens a partir de dados numericos.
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Introdução
Breve Histórico
Um trabalho pioneiro na área de animação de uidos via DFC foi o deFoster-Metaxas (1997), usando diferenças nitas.
Em 1999 Jos Stam propõe uma solução para o custo computacionalelevado do método de Foster e Metaxas
Patrick Witting considerou um modelo mais completo que osanteriores, onde o uido (gás) é compressível e o modelo matemáticoenvolve equações termodinâmicas.
Trabalho de Müller at. al. (2003) que usou o SPH com métodos cominteração entre líquidos e sólidos.
LBM para simulação de sistemas complexos [Chopard et al., 1998]
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Introdução
Animação de Fluidos Baseada em Física
Consiste em aplicar técnicas de dinâmica de uidos computacional(DFC) computação gráca na geração de efeitos visuais.
O nível de realismo depende do tipo de animação.
Área interdisciplinar.
Envolve conceitos em Dinâmica de Fluidos, Rendering e ModelagemGeométrica.
Desenvolvimento de aplicativos com interfaces grácas convenientes,permitindo o uso dos recursos desenvolvidos por animadores edesigners.
Aplicações para simuladores em medicina
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Fundamentação Teórica
Figura: Conceitos fundamentais em campos escalares.
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Fundamentação Teórica
Figura: Conceitos fundamentais em campos vetoriais.
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Fundamentação Teórica
Visualização de Campos Vetoriais
Figura: Visualização de campos vetoriais [Rosenblum et al., 1994].
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Fundamentação Teórica
Equações da Dinâmica de Fluidos
Equações de Navier-Stokes: Caso Escoamento incompressível:
∂u
∂t+ u · ∇u = −1
ρ∇p + ν∆u + f (1)
∇ · u = 0 (2)
Onde:
−∇p é o uxo oriundo de regiões de alta pressão em direção à regiãode baixa pressão.
ν∆u é um termo dissipativo, com ν = µ/ρ sendo a viscosidadecinemática.
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Fundamentação Teórica
Equações da Dinâmica de Fluidos
Condições Iniciais e de contorno
v(x , y , z , 0) = v0(x , y , z), (3)
v∂Ω = g , (4)
onde ∂Ω denota a fronteira do domínio Ω do uido e g é uma funçãodenida em ∂Ω.
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Fundamentação Teórica
Equações de Navier-Stokes (Formulação Lagrangiana)
Equação da Continuidade
Dρ
Dt+ ρ∇ · v = 0 (5)
Equação do Momento
Dv
Dt= −1
ρ(∇p + µ∆v + F), (6)
ondeD(·)Dt
é chamado derivada material.
Para uidos incompressíveis, temos ∇ · v = 0
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Metodologia de Trabalho
Metodologia de Trabalho
Cada aluno dene um projeto de trabalho
Implementação do método propostoGeração de resultadosElaboração de texto cientíco em formato de artigo
Apresentação de seminarios
Seminário sobre o projetpSeminários de acompanhamento
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Metodologia de Trabalho
Avaliação Discente
Figura: Faixas das notas e respectivos conceitos.
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Bibliography
ACM (2016).Siggraph.http://s2016.siggraph.org/programs.
Bridson, R. (2008).Fluid simulation for computer graphics.CRC Press, New York.
Chopard, B., Luthi, P., and Masselot, A. (1998).Cellular automata and lattice boltzmann techniques: An approach tomodel and simulate complex systems.In Advances in Physics.
Erleben, K., Sporring, J., Henriksen, K., and Dohlman, K. (2005).Physics-based Animation (Graphics Series).Charles River Media, Inc., Rockland, MA, USA.
Fundation, B. (2017).Blender: Free and Open Software.https://www.blender.org/.
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Bibliography
House, D. and Keyser, J. (2016).Foundations of Physically Based Modeling and Animation.CRC Press.
Limit, N. (2016).RealFlow.http://www.realow.com/.
Motion, M. (2015).Most Realistic Fluid Settings in Blender.https://www.youtube.com/watch?v=m-kDn3ODtZM&list=PLE_CMDJXhPQ5tuhHNVTsMXOq9VmkctM8r.
Parks, C. (2015).Fluid Frames: Experimental Animation with Sand, Clay, Paint, and
Pixels.Taylor & Francis.
PBRT (2016).Physics Models for Rendering.
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Bibliography
http://www.pbrt.org/.
Pharr, M. and Humphreys, G. (2010).Physically Based Rendering, Second Edition: From Theory To
Implementation.Morgan Kaufmann Publishers Inc., San Francisco, CA, USA, 2ndedition.
Pixar (2016).Pixar On-Line Library.http://graphics.pixar.com/library/.
Pixar (2017).RenderMan.https://rmanwiki.pixar.com/display/REN/RenderMan.
POV-Ray (2017).Persistence of Vision Raytracer.http://www.povray.org/.
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Bibliography
Rosenblum, L., Earnshaw, R., Encarnacao, J., Hagen, H., Kaufman,A., Klimenko, S., Nielson, G., Post, F., and Thalmann, D. (1994).Scientic Visualization: Advances and Challenges.Academic Press.
SBC (2016).Sibgrapi 2016.http://gibis.unifesp.br/sibgrapi16/.
Siggraph (2015).ACM Trans. Graph., 34(4).
Stam, J. (2015).The Art of Fluid Animation.CRC Press.
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