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Contribution Details

Type	Dissertation
Scope	Discipline-based scholarship
Title	Incompressible fluid simulation and advanced surface handling with SPH
Organization Unit	Visualization and MultiMedia Lab (Renato Pajarola)
Authors	Barbara Solenthaler
Supervisors	Renato Pajarola Markus Gross
Language	English
Institution	University of Zurich
Faculty	Faculty of Economics, Business Administration and Information Technology
Number of Pages	115
Date	2010
Abstract Text	In den letzten Jahren haben partikelbasierte Methoden zur Simulation von Gasen und Flüssigkeiten in der Computer Graphik an Wichtigkeit gewonnen. Dies da die Repräsentation durch Partikel die Behandlung von freien Oberﬂächen, Spritzer, Tropfen und komplexen Interaktionen zwischen Objekten erleichtert. Partikelbasierte Methoden weisen jedoch auch Nachteile auf welche das physikalische Verhalten eines Fluids und somit das resultierende visuelle Resultat beeinträchtigen. Obwohl diese Probleme in sozusagen allen partikelbasierten Modellen präsent sind, konzentriert sich diese Dissertation auf die Hauptprobleme der Methode Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Diese Dissertation beginnt mit einer Einführung in die SPH Methode und erklärt die Schwierigkeit inkompressible Flüssigkeiten zu simulieren. Im Grundmodell von SPH werden Flüssigkeiten durch kompressible Fluide approximiert was zu ungewollten Kompressionsartefakten führt. Obwohl Inkompressibilität erzwungen werden kann, repräsentiert dies den berechenmässig teuersten Teil der Methode, was der Grund ist warum SPH und partikelbasierte Methoden im Allgemeinen weniger geeignet sind um photorealistische Animation von Wasser zu erstellen. In dieser Arbeit präsentieren wir ein neues, inkompressibles Verfahren basierend auf SPH welche Inkompressibilität durch eine Prädiktor-Korrektor Methode erzwingt. Dabei werden die Informationen uber Dichteabweichungen aktiv durch das Fluid propagiert und Druckwerte angepasst, solange bis die Dichtewerte der Partikel einheitlich sind. Mit diesem Ansatz können die Berechnungskosten per Simulationsschritt niedrig gehalten und gleichzeitig ein grosser Simulationszeitschritt verwendet werden. Danach gehen wir auf die Probleme ein welche an den Zwischenﬂächen von mehreren Fluiden mit unterschiedlicher Dichte entstehen, sowie zwischen Fluiden und festen Objekten. Bei der Simulation von mehreren Fluiden mit dem SPH Grundmodell können Artefakte an der Zwischenﬂäche beobachtet werden, welche das Verhalten der Fluide negativ beeinﬂusst. Diese Artefakte sind unphysikalische Oberﬂächenspannungen sowie numerische Instabilitäten. Diese Dissertation präsentiert ein adaptiertes SPH Modell welches Diskontinuitiäten an den Zwischenﬂächen von mehreren Fluiden korrekt behandelt und dadurch die Probleme des Grundmodells vermeidet. Des Weiteren prä sentiert diese Arbeit ein einheitliches Modell für die Simulation von Fluiden und festen Objekten um die Interaktion zwischen unterschiedlichen Materialien zu erleichtern. In unserem Modell sind Flüssigkeiten und Gase sowie starre und elastische Körper durch Partikel repräsentiert welche Attribute mit den Objekteigenschaften tragen. Durch das Andern der Attribute können Effekte wie Schmelzen und Erstarren, sowie Vereinigung und Trennung von Objektteilen mit niedrigem Aufwand simuliert werden. Zum Abschluss stellen wir eine neue, efﬁziente Partikel-Verfeinerungsmethode vor um eine höhere visuelle Qualität beim Rendering von Echtzeit-Flüssigkeiten zu erreichen. Als Ausgangspunkt verwendet unsere Methode die Punktmenge der Simulation und fügt uniform neue Punkte hinzu wobei Oberﬂächenstrukturen akkurat beibehalten werden. Eine weitere Schwierigkeit von Partikelmethoden ist die Rekonstruktion von glatten Oberﬂächen. Um dies zu erreichen verwenden wir eine neue Methode, welche den Partikelschwerpunkt der Nachbarschaft bei der Rekonstruktion verwendet, und wir zeigen wie Artefakte in konkaven Regionen erfolgreich vermieden werden können. Particle-based ﬂuid simulations have become popular in computer graphics due to their natural ability to handle free surfaces and interfaces, splashes and droplets, as well as interaction with complex boundaries. However, particle methods have some disadvantageous properties degrading the physical behavior of a simulated ﬂuid and thus the resulting visual quality. Although these problems are present in almost any particle-based ﬂuid solver, this dissertation addresses some of the major problems of the Lagrangian method Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). This thesis starts by reviewing the standard SPH model and its difﬁculties to satisfy the incompressibility condition. In the standard model, liquids are typically approximated by compressible ﬂuids where pressures are determined by an equation of state, resulting in undesired compression artifacts. Although incompressibility can be enforced, it represents the most expensive part of the whole simulation process and thus renders particle methods less attractive for high quality and photorealistic water animations. In this thesis, we present a novel, incompressible ﬂuid simulation method based on SPH. In our method, incompressibility is enforced by using a prediction-correction scheme to determine the particle pressures. For this, the information about density ﬂuctuations is actively propagated through the ﬂuid and pressure values are updated until the targeted density is sat- isﬁed. With this approach, the costs per simulation update step can be held low while still being able to use large time steps in the simulation. Next, we shift our attention to the problem of complex interactions between multiple different ﬂuids as well as between ﬂuids and solids. We ﬁrst focus on the artifacts caused by standard SPH when simulating multiple ﬂuids with high-density ratios. In the standard model, the smoothed quantities of particles near the ﬂuid interface show falsiﬁed values and the physical behavior is severely affected, especially if density ratios become large. The artifacts include spurious and unphysical interface tension as well as severe numerical instabilities. In this thesis, we derive a formulation that can handle discontinuities at interfaces of multiple ﬂuids correctly and thus avoids the problems present in standard SPH. With our concepts, an animator has full control over the behavior of multiple interacting ﬂuids. Furthermore, we propose to represent both, ﬂuids and solids, by particles, facilitating the interaction between the different object types. We present a uniﬁed simulation model for ﬂuids, rigid, and elastic objects, and show how phase transitions can be modeled by only changing the attribute values of the underlying particles. New effects like merging and splitting due to melting and solidiﬁcation are demonstrated, and we show that our model is able to handle coarsely sampled and even coplanar particle conﬁgurations without further treatment. Finally, we present a novel point reﬁnement method to achieve a higher visual quality of low-resolution ﬂuids. We introduce new algorithms to efﬁciently upsample an initial point set given by the physical computation. Our method features the ability to accurately preserve surface details and to reach a uniform point distribution. Another challenge is to reconstruct smooth surfaces from the particles. The visualized ﬂuids typically suffer from bumpy surfaces related to the irregular particle distribution. In order to achieve smooth surfaces, this thesis introduces a new surface reconstruction technique based on the center of mass of the particle neighborhood. We show how artifacts in concave regions can be avoided by considering the movement of the center of mass.
Other Identification Number	merlin-id:6891
PDF File	Download from ZORA
Export	BibTeX EP3 XML (ZORA)
Keywords	Computer Graphics
Additional Information	Incompressible fluid simulation and advanced surface handling with SPH / presented by Barbara Solenthaler. - Zurich, 2010