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Simulation von Schnee
(2015)
Physik-Simulationen erlauben die Erstellung dynamischer Szenen auf dem Rechner. Sie lassen die Computergrafik lebendig werden und finden unter anderem Anwendung in Film, Spiel und Ingenieurswesen. Durch GPGPU-Techniken kann diese Arbeit erstmals auf der Grafikkarte stattfinden. Die dynamische Simulation von Schnee ist ein Gebiet, das aufgrund seiner physikalischen Komplexität noch wenig erforscht ist. Die Materie-Punkt-Methode ist das erste Modell, dass in der Lage ist die Dynamik und verschiedenen Arten von Schnee darzustellen.
Die hybride Nutzung von Lagrange-Partikeln und einem kartesischen Euler-Gitter ermöglichen das Lösen der partiellen Differentialgleichungen. Die Partikel werden dazu auf die Gitterknoten transformiert. Durch Anwendung der Finite-Elemente-Methode auf das Gitter können Gradienten zur Aktualisierung der Geschwindigkeit berechnet werden. Die Geschwindigkeiten werden dann auf die Partikel zurückgewichtet, um diese in der Simulation voranschreiten zu lassen. Gepaart mit einem spezifischen Materialmodell wird die dynamische Natur von Schnee erlangt. Diese schließt Kollision und Bruch mit ein.
Diese Bachelorarbeit verbindet die kürzlich erschienenen GPGPU-Techniken von OpenGL mit der Materie-Punkt-Methode, um die verschiedenen Schneearten dynamisch, visuell ansprechend und effizient zu simulieren
Das Rendering-Verfahren des Ray-Tracings ermöglicht die realitätsnahe Umsetzung der Bildgenerierung einer modellierten Szene und ist aufgrund seiner Arbeitsweise in der Lage, optische Phänomene und komplexe Beleuchtungsszenarien darzustellen. Allerdings bedarf es bei der Bilderzeugung einer enormen Anzahl an Berechnungen pro Pixel, wodurch Realisierungen eines Ray-Tracers in der Praxis Ergebnisse erzielen, die weit unter der in der Computergraphik angestrebten Echzeitdarstellung von 60 Bildern pro Sekunde entfernt liegen. Aktuelle Modelle der Graphics Processing Unit (GPU) ermöglichen die hochgradige Parallelisierung der Ausführung von allgemeinen Berechnungen. Mit Hilfe der Graphik-API OpenGL wird diese Parallelisierung nutzbar gemacht und ein vollständig auf der GPU ausgeführter Ray-Tracer entworfen und realisiert. Der entwickelte Ansatz wird durch die Integration eines Uniform Grids - einer beschleunigenden Datenstruktur des Ray-Tracings - erweitert, woraus eine Steigerung der Performanz zu erwarten ist.
Ziel dieser Arbeit ist die Implementierung eines auf der GPU ausgeführten Ray-Tracers und die Erweiterung des Ansatzes durch die Verwendung eines Uniform Grids. Die Ermittlung der erzielbaren Leistung wird im Anschluss durchgeführt. Bei der Entwicklung und Implementierung werden mögliche Probleme bei der Umsetzung bezüglich der GPU-Programmierung aufgezeigt und analysiert.
Die Entwicklung der echtzeitfähigen Computergrafik ermöglicht mittlerweile immer realistischere Bilder und die Hardware kann dafür optimal ausgenutzt werden, wodurch immer glaubwürdigere Lichtverhältnisse simuliert werden können. Eine große Anzahl von Algorithmen, effizient implementiert auf der Grafikkarte (GPU, auch Grafikprozessor)), sind fähig komplexe Lichtsituationen zu simulieren. Effekternwie Schatten, Lichtbrechung und Lichtreflexion können mittlerweile glaubwürdig erzeugt werden. Besonders durch Reflexionen wird der Realismus der Darstellung erhöht, da sie glänzende Materialien, wie z.B. gebürstete Metalle, nasse Oberflächen, insbesondere Pfützen oder polierte Böden, natürlich erscheinen lassen. Dabei geben sie einen Eindruck der Materialeigenschaften, wie Rauheit oder Reflexionsgrad.rnAußerdem können Reflexionen vom Blickpunkt abhängen: Eine verregnete Straße zum Beispiel würde Licht, abhängig von der Entfernung des Betrachters reflektieren und verwaschene Lichtreflexe erzeugen. Je weiter der Betrachter von der Lichtquelle entfernt ist, desto gestreckter erscheinen diese. Ziel dieser Bachelorarbeit ist, eine Übersicht über existierende Render-Techniken für Reflexionen zu geben, um den aktuellen Stand der Technik abzubilden. Reflexion entsteht durch den Einfall von Licht auf Oberflächen, die dieses in eine andere Richtung zurückwerfen. Um dieses Phänomen zu verstehen, wird eine Auffassung von Licht benötigt. Kapitel 2.1 beschreibt daher ein physikalisches Modell von Licht, gefolgt von Kapitel 2.2, das anhand von Beispielen ästhetisch wirkender Reflexionseffekte aus der realenrnWelt und den Medien die Motivation dieser Arbeit darlegt. In Kapitel 3 soll die generelle Vorgehensweise beim Rendern von Reflexionen deutlich gemacht werden. Danach wird in Kapitel 4 eine grobe Übersicht über existierende Ansätze gegeben. In Abschnitt 5 werden dann drei wesentliche Algorithmen vorgestellt, die zur Zeit oft in Spiel- und Grafikengines verwendet werden: Screen Space Reflections (SSR), Parallax-corrected cube mapping (PCCM) und Billboard Reflections (BBR). Diese drei Ansätze wurden zusammen in einem Framework implementiert. Dieses wird in Kapitel 5 vorgestellt und erklärt, gefolgt von detaillierten Beschreibungen der drei Techniken. Nachdem ihre Funktionsweise erklärt wurde, werden die Ansätze analysiert und auf ihre visuelle Qualität sowie ihre Echtzeitfähigkeit getestet. Abschließend werden die einzelnen Verfahren miteinander verglichen, um ihre Vor- und Nachteile zu untersuchen. Außerdem werden die gewonnenen Erfahrungen beschrieben und Verbesserungsansätze vorgeschlagen. Danach wird ein kurzer Ausblick zur voraussichtlichen Entwicklung von Render-Techniken spekularer Effekte gegeben.