Методы интерактивной визуализации динамики жидких и газообразных сред Костикова Елена Юрьевна, 521 гр. Научный руководитель: Игнатенко Алексей Викторович

Введение в область Сфера применения – интерактивные приложения: – Научная визуализация – Кинематограф – Компьютерные игры – Тренировочные симуляторы 2

Цель дипломной работы Провести сравнительный анализ алгоритмов визуализации и методов моделирования Разработать алгоритмы интерактивного моделирования жидких и газообразных сред, а также визуализации этих процессов Реализовать программную библиотеку, содержащую предложенные алгоритмы 3

Специфика задачи Задача разбивается на подзадачи: – Построение граничных условий – Физическое моделирование – Визуализация Массивно-параллельная вычислительная задача: – Применимость параллельных вычислительных устройств в PC 4

Требования к решению К моделированию: – Физическая точность – Скорость – Стабильность К визуализации: – Визуальное качество – Легко расширяемая и изменяемая архитектура системы 5

Требования к решению К моделированию: – Физическая точность – Скорость – Стабильность К визуализации: – Визуальное качество – Легко расширяемая и изменяемая архитектура системы 6

Обзор существующих методов I.Моделирование движения жидкостей и газов II.Визуализация результатов 7

Формальная математическая постановка задачи 8 Моделирование Визуализация

Формальная математическая постановка задачи 9 Моделирование Визуализация

Обзор существующих методов Моделирование 10 Метод Лагранжа – Среда моделируется системой частиц – Можно задать любой закон движения – Нет ограничений на пространство распространения – Сложная реализация граничных условий Метод Эйлера – Рассматривается пространство с регулярным разбиением – Проще аналитически работать с пространственными производными (градиент давления и вязкость) – Ограниченный объем и ресурсоёмкость

Обзор существующих методов Визуализация Метод меташаров – Для метода Лагранжа (например, для визуализации воды) – Позволяет легко управлять соотношением качество/быстродействие – Эффект ртутных шариков Метод трассировки лучей – Для метода Эйлера – Универсальный механизм, позволяющий реализовывать сложные оптические эффекты – Артефакты сеточных методов 11

Реализованная система 12

Построение граничных условий Метод полей расстояний – Для каждой ячейки ищется минимальное расстояние проекции центра ячейки на каждый из треугольников (с использованием трассировки лучей) Ускоряющая структура данных – иерархическое дерево Ускорение с помощью CUDA 13

Методы моделирования Система уравнений Навье-Стокса Система частиц Гибридный подход 14

Методы визуализации Визуализация трехмерными текстурами Визуализация с помощью трассировки лучей Визуализация системой частиц 15

Ускорения на CUDA Моделирование: от 2 до 10 раз Построение граничных условий: в 10 раз Генерация шума Перлина: до 70 раз 16

Сравнение с PhysX Преимущества перед PhysX: – Бесплатная – Есть готовые примеры по визуализации объемных данных и систем частиц – Два метода для моделирования – Три метода для визуализации 17

Программная реализация 18 Плагин к 3ds Max Программа на С/С++ CUDA – Математическая библиотека – Физическая симуляция на CPU и на GPU – Построение граничных условий на CPU и на GPU – Визуализация с помощью OpenGL GLSL Размер кода: > строк

Результаты Проведен сравнительный анализ существующих методов Разработана и реализована библиотека для интерактивного моделирования и визуализации движения жидких и газообразных сред Проведено сравнение с существующими интерактивными библиотеками (PhysX) 19

20