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Simulation von Schnee

  • Mit Hilfe von Physiksimulationen lassen sich viele Naturphänomene auf dem Rechner nachbilden. Ziel ist, eine physikalische Gegebenheit möglichst korrekt zu berechnen, um daraus Schlüsse für die reale Welt zu ziehen. Anwendungsgebiete sind beispielsweise die Medizin, die Industrie, aber auch Spiele oder Filme. Schnee ist aufgrund seines physikalischen Aufbaus und seinen Eigenschaften ein sehr komplexes Naturphänomen. Um Schnee zu simulieren, müssen verschiedene Materialeigenschaften beachtet werden. Die wichtigste Methode, die sich mit der Simulation von Schnee und seiner Dynamik befasst, ist die Material-Point-Method. In ihr werden die auf der Kontinuumsmechanik basierenden Lagrange-Partikel mit einem kartesischen Gitter vereint. Das Gitter ermöglicht die Kommunikation zwischen den eigentlich nicht verbunden Schneepartikeln. Zur Berechnung werden Daten der Partikel auf die Gitterknoten übertragen. Dort werden Berechnungen mit Informationen über benachbarte Partikel durchgeführt. Die Ergebnisse werden danach zurück auf die Partikel übertragen. Durch GPGPU-Techniken lassen sich physikalische Simulationen auf der Grafikkarte implementieren. Verfahren wie die Material-Point-Method lassen sich durch diese Techniken gut parallelisieren. Diese Arbeit geht auf die physikalischen Grundlagen der Material-Point- Method ein, und implementiert diese mit Hilfe von Compute-Shadern auf der Grafikkarte. Anschließend werden Performanz und Qualität bewertet.
  • Using physics simulations natural phenomena can be replicated with the computer. The aim is to calculate a physical feature as correclty as possible in order to draw conclusions for the real world. Fields of Application are, for example, medicine, industry, but also games or films. Snow is a very complex natural phenomenon due to its physical structure and properties. To simulate snow, different material properties have to be considered. The most important method that deals with the simulation of snow and its dynamics is the material point method. It combines the Lagrangian particles based on continuum mechanics with a Cartesian grid. The grid enables communication between the snow particles, which are not actually connected. For calculation of particles data is transferred from these particles to the grid nodes. There, calculations are carried out with information about neighboring particles. The results are then transferred back to the original particles. Using GPGPU techniques, physical simulations can be implemented on the graphics card. Procedures like the material point method can be parallelized well with these techniques. This paper deals with the physical basics of the material point method and implements them on the graphics card using compute shaders. Then performance and quality are evaluated.

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Metadaten
Author:Lars Hoerttrich
URN:urn:nbn:de:kola-18342
Referee:Stefan Müller, Bastian Krayer
Document Type:Bachelor Thesis
Language:German
Date of completion:2019/04/18
Date of publication:2019/04/18
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Fachbereich 4
Release Date:2019/04/18
Tag:Physiksimulation; Schnee
Material point method; physics simulation; snow
Number of pages:ii, 64
Institutes:Fachbereich 4 / Institut für Computervisualistik
Licence (German):License LogoEs gilt das deutsche Urheberrecht: § 53 UrhG