Att simulera fysiken bakom vätskors rörelse och hur vätskor – tjocka eller tunna – interagerar med andra föremål är ett nyckelproblem i visuella effekter. Att väcka liv till sådana scenarier som en pensel som rör om och sprider oljefärg på en duk eller spagetti slängd i pastasås innebär sofistikerad beräkningsmodellering. Den här typen av scenarier, särskilt, är svåra att simulera på grund av vätskans komplexa reologi – hur dess form förändras och förvandlas med rörelse – och den invecklade interaktionen mellan vätskan och trådarna.

Ett team av datavetare tar upp detta problem i datorgrafik med en roman, flerskaligt ramverk som realistiskt och exakt imiterar den komplexa dynamiken hos strängar som interagerar med så kallade skjuvberoende vätskor, som lera, oljefärg, smält choklad, eller pastasås. Forskarna, från Columbia Engineering och University of Waterloo, kommer att presentera sitt arbete på ACM SIGGRAPH Asia, hölls 17 till 20 november i Brisbane, Australien. SIGGRAPH Asien, nu på sitt 12:e år, lockar de mest respekterade tekniska och kreativa människorna från hela världen inom datorgrafik, animering, interaktivitet, spel, och ny teknik.

Unikt för detta arbete är den exakta modelleringen av komplexiteten i vätskesträngsdynamik. Föreställ dig till exempel en skål med spagetti, och försök att animera hur mycket sås som fastnar på olika delar av pastan när den snurras och lyfts ur en skål med en gaffel. För att simulera ett sådant scenario, forskarnas metod förklarar den vätskesträngsinteraktion som sker över många skalor – både i den lilla skalan för tunna trådar och deras ytflöden och den stora skalan för bulkvätska.

"Mångskaligheten av detta problem utgör en viktig utmaning, " säger Yun (Raymond) Fei, huvudförfattare till verket som nyligen avslutade sin Ph.D. i datavetenskap vid Columbia. "Det kräver att vår simuleringsmodell hanterar både en stor del av vätskor som rör sig och de små, detaljerade rörelser av trådar och deras ytflöden."

Feis medarbetare inkluderar medförfattare Christopher Batty från University of Waterloo-Canada och från Columbia Engineering, Eitan Grinspun och Changxi Zheng.

Utvidgar tidigare arbete med att animera vått hår, detta nya beräkningsramverk står för volymförändringen av vätskan när den passerar genom strängarna och momentumutbytet mellan strängarna och vätskan. Deras ramverk redogör också för kohesion mellan strängar och hur de flytande rörelserna påverkar strängens rörelse och vice versa. Ramverket består av tre komponenter:en modell som simulerar vätskan som flödar på ytan av trådar, en modell som simulerar rörelsen hos enskilda hårstrån och deras kollisioner (t.ex. skålen med spagetti och sås), och en modell som simulerar bulkvätska som rör sig som ett kontinuum, till exempel vatten som rinner från en kran.

"Vår algoritm sammanför flera fysiska modeller i både fin och stor skala, och gör det möjligt för simuleringen att fånga mycket komplexa, rika och multifysiska fenomen i vätskesträngsinteraktioner, säger Zheng, docent i datavetenskap vid Columbia.

Forskarna demonstrerade sin metod på ett brett utbud av material och ett antal exempel, inklusive utmanande scenarier som involverar stänk, skakning, och omrörning av vätskan vilket gör att trådarna klibbar ihop och trasslar in sig. Till exempel, för att illustrera det sammanhängande och friktionsbeteendet hos våta hårstrån, metoden användes för att realistiskt simulera en hårklädd boll som lyftes från en lerpöl och skakar. När rörelsen stannar, hårstråna fastnar och trasslar som förväntat. En videodemonstration av den nya metoden kan ses här.

"Det finns en mängd flytande exempel i den fysiska världen som vi inspirerades att efterlikna i den virtuella världen, säger Grinspun, som genomförde forskningen medan han var docent vid Columbia Engineering; Grinspun är nu professor i datavetenskap vid University of Toronto. "Vad vi har kunnat uppnå och låna ut till artister och användare är en exakt, flerskalig teknik för att redogöra för lagren av sofistikerad matematik och fysik bakom denna komplexa dynamik."

Teamets metod kan omedelbart tillämpas på skapandet av specialeffekter i filmbranschen. Tidigare arbete från dessa samarbetspartners har använts av ledande visuella effekthus som WETA Digital, och i långfilmer inklusive Moana och Jungle Book. I framtida arbete, forskarna föreställer sig att den här metoden kan användas för att förutsäga hur föremål rör sig och formas vid tillverkning av kosmetika eller i robotdesign.