82 research outputs found

    Enhancing Mesh Deformation Realism: Dynamic Mesostructure Detailing and Procedural Microstructure Synthesis

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    Propomos uma solução para gerar dados de mapas de relevo dinâmicos para simular deformações em superfícies macias, com foco na pele humana. A solução incorpora a simulação de rugas ao nível mesoestrutural e utiliza texturas procedurais para adicionar detalhes de microestrutura estáticos. Oferece flexibilidade além da pele humana, permitindo a geração de padrões que imitam deformações em outros materiais macios, como couro, durante a animação. As soluções existentes para simular rugas e pistas de deformação frequentemente dependem de hardware especializado, que é dispendioso e de difícil acesso. Além disso, depender exclusivamente de dados capturados limita a direção artística e dificulta a adaptação a mudanças. Em contraste, a solução proposta permite a síntese dinâmica de texturas que se adaptam às deformações subjacentes da malha de forma fisicamente plausível. Vários métodos foram explorados para sintetizar rugas diretamente na geometria, mas sofrem de limitações como auto-interseções e maiores requisitos de armazenamento. A intervenção manual de artistas na criação de mapas de rugas e mapas de tensão permite controle, mas pode ser limitada em deformações complexas ou onde maior realismo seja necessário. O nosso trabalho destaca o potencial dos métodos procedimentais para aprimorar a geração de padrões de deformação dinâmica, incluindo rugas, com maior controle criativo e sem depender de dados capturados. A incorporação de padrões procedimentais estáticos melhora o realismo, e a abordagem pode ser estendida além da pele para outros materiais macios.We propose a solution for generating dynamic heightmap data to simulate deformations for soft surfaces, with a focus on human skin. The solution incorporates mesostructure-level wrinkles and utilizes procedural textures to add static microstructure details. It offers flexibility beyond human skin, enabling the generation of patterns mimicking deformations in other soft materials, such as leater, during animation. Existing solutions for simulating wrinkles and deformation cues often rely on specialized hardware, which is costly and not easily accessible. Moreover, relying solely on captured data limits artistic direction and hinders adaptability to changes. In contrast, our proposed solution provides dynamic texture synthesis that adapts to underlying mesh deformations. Various methods have been explored to synthesize wrinkles directly to the geometry, but they suffer from limitations such as self-intersections and increased storage requirements. Manual intervention by artists using wrinkle maps and tension maps provides control but may be limited to the physics-based simulations. Our research presents the potential of procedural methods to enhance the generation of dynamic deformation patterns, including wrinkles, with greater creative control and without reliance on captured data. Incorporating static procedural patterns improves realism, and the approach can be extended to other soft-materials beyond skin

    Novel Degrees of Freedom, Constraints, and Stiffness Formulation for Physically Based Animation

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    I identify and improve upon three distinct components of physically simulated systems with the aim of increasing both robustness and efficiency for the application of computer graphics: A) the degrees of freedom of a system; B) the constraints put on that system; C) and the stiffness that derives from force differentiation and in turn enables implicit integration techniques. These three components come up in many implementations of physics-based simulation in computer animation. From a combination of these components, I explore four novel ideas implemented and experimented on over the course of my graduate degree. Eulerian-on-Lagrangian Cloth Simulation resolves a longstanding problem of simulating contact-mediated interaction of cloth and sharp geometric features by exploring a combination of all three of our components. Bilateral Staggered Projections for Joints explores the constrained degrees of freedom of articulated rigid bodies in a reduced state to extend the popular Staggered Projects technique into a novel formulation for rapid evaluation of frictional articulated dynamics. Condensation Jacobian with Adaptivity looks at using reduction methods to improve the efficiency of soft body deformations by allowing larger time step in dynamics simulations. Finally, Ldot: Boosting Deformation Performance with Cholesky Extrapolation explores the inner workings of sparse direct solvers to introduce a Cholesky factorization that is linearly extrapolated in time, which can improve the performance when encapsulated inside an iterative nonlinear solver

    Time-independent geometrical deformation for elastic contacts

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    Les films et séries d'animation étant de plus en plus présents dans le divertissement grand public, les besoins des artistes en terme d'outils d'animation rapides et intuitifs ne cessent de croître. Les artistes ne font pas seulement appel à leur imagination et à leurs compétences pour donner vie à aux modèles numériques, ils s'inspirent également du monde physique pour mieux immerger les spectateurs dans leur environnement virtuel.De nombreux objets de notre environnement quotidien présentent des déformations élastiques lorsqu'ils sont mis en contact avec d'autres, par exemple une balle anti-stress écrasée par une main, un oreiller écrasant une tête lors d'une bataille d'oreillers ou un ballon rebondissant sur un poteau de but. Ils ont notamment tendance à s'écraser à l'intérieur du contact et à gonfler à l'extérieur. Ces effets d'écrasement et de gonflement sont essentiels pour communiquer une déformation plausible tout en capturant le comportement physique des matériaux mous dans divers contextes, tels que les films d'animation. Ce type de déformation est toutefois connu pour être difficile et fastidieux à reproduire manuellement par les artistes, et les outils existants restent limités pour une utilisation artistique.En pratique, ces déformations sont donc générées par des méthodes de simulation physique. Cependant, en raison de leur dépendance temporelle, elles doivent être exécutées après les étapes de rigging et d'animation, ce qui empêche une édition non linéaire de la scène 3D. De plus, les artistes ont souvent recours à des effets de déformation caricaturaux pour mieux transmettre les émotions et les idées qui sont difficiles à obtenir par simulation physique.La principale contribution de cette thèse est un nouvel outil de déformation purement géométrique et indépendant du temps qui assiste l'artiste en résolvant les contacts locaux entre les objets élastiques, ainsi qu'en produisant des effets de gonflement qui peuvent être contrôlés par l'artiste. Pour parvenir à une intégration transparente dans le processus de création d'animation, nous avons conçu notre outil de déformation de manière à fournir un retour instantané à l'artiste tout en permettant une édition non linéaire grâce à une stratégie entièrement indépendante du temps. Pour produire des effets de gonflement plausibles, notre méthode peut aussi préserver intégralement le volume, bien que des contrôles artistiques soient également possibles pour explorer des comportements plus exagérés. Plus précisément, à partir de plusieurs maillages en intersection, notre déformeur calcule d'abord les parties des surfaces restant en contact, puis applique un déplacement procédural contrôlé par une courbe de profil. Même si notre outil traite chaque image indépendamment, il réalise des déformations temporellement continues avec un contrôle artistique du gonflement grâce à un petit nombre de paramètres de pseudo-rigidité. La plausibilité de la déformation est encore renforcée par la répartition anisotrope du gonflement préservant le volume. Une extension est également proposée pour gérer les auto-collisions entre des parties adjacentes d'un même objet, qui se produisent fréquemment dans le contexte d'animation de personnages.Le résultat de ce travail est un déformeur temps réel robuste qui permet de gérer des configurations géométriques complexes telles qu'une balle écrasée par une main, des lèvres qui se touchent, des doigts qui se plient, etc.As animated films and series become more and more present in the mainstream entertainment, the artists’ needs are growing in term of fast and intuitive animation tools. Artists not only heavily rely on their imagination and skills to bring digital models to life; they also take inspiration from the physical world to better immerse viewers in their virtual environment.Many objects of our everyday surroundings exhibit elastic deformations when put in contact with others, e.g., a stress ball crushed by a hand, a pillow smashing a head during a pillow fight or a soft ball bouncing on a goal post. They most notably tend to squash inside the contact and to bulge outside of it. Such squashing and bulging effects are essential to communicate plausible deformation while capturing the physical behavior of soft materials in a variety of contexts, such as animated films. This type of deformation is, however, notoriously difficult and tedious to manually reproduce by computer graphics (CG) artists, and existing tools remain limited for artistic use.In practice, such deformations are thus generated through physically based simulation methods. However, due to their time-dependency, physical simulations must be run after the rigging and animation steps, preventing non-linear editing of the 3D scene. Moreover, artists also often resort to cartoonish deformation effects to better convey emotions and thoughts. Such exaggerated effects are difficult to achieve through physical simulations.The main contribution of this thesis is a novel purely geometric deformation framework that assists the artist by resolving local contacts between elastic objects and producing bulge effects in an art-directable way. To achieve a seamless integration within animation workflows, we designed our deformation tool to provide instant feedback to the artist while enabling non-linear editing thanks to a fully time-independent strategy. To produce plausible bulge effects, our method can also preserve the volume exactly, while artistic controls are also possible to explore more exaggerated behaviors. More specifically, starting from multiple meshes in intersection, our deformer first computes the parts of the surfaces remaining in contact, and then applies a procedural displacement controlled by a profile curve. Although our tool processes each frame independently, it achieves temporally continuous deformations with artistic control of the bulge through a small number of pseudo-stiffness parameters. The plausibility of the deformation is further enhanced by anisotropically spreading the volume-preserving bulge. An extension is also proposed to handle self-collisions between adjacent parts of the same object that often occur in character skinning animation.The result of this work is a robust, real-time deformer that can handle complex geometric configurations like a ball squashed by a hand, colliding lips, bending fingers, etc

    Déformations géométriques indépendantes du temps pour les contacts élastiques

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    As animated films and series become more and more present in the mainstream entertainment, the artists’ needs are growing in term of fast and intuitive animation tools. Artists not only heavily rely on their imagination and skills to bring digital models to life; they also take inspiration from the physical world to better immerse viewers in their virtual environment.Many objects of our everyday surroundings exhibit elastic deformations when put in contact with others, e.g., a stress ball crushed by a hand, a pillow smashing a head during a pillow fight or a soft ball bouncing on a goal post. They most notably tend to squash inside the contact and to bulge outside of it. Such squashing and bulging effects are essential to communicate plausible deformation while capturing the physical behavior of soft materials in a variety of contexts, such as animated films. This type of deformation is, however, notoriously difficult and tedious to manually reproduce by computer graphics (CG) artists, and existing tools remain limited for artistic use.In practice, such deformations are thus generated through physically based simulation methods. However, due to their time-dependency, physical simulations must be run after the rigging and animation steps, preventing non-linear editing of the 3D scene. Moreover, artists also often resort to cartoonish deformation effects to better convey emotions and thoughts. Such exaggerated effects are difficult to achieve through physical simulations.The main contribution of this thesis is a novel purely geometric deformation framework that assists the artist by resolving local contacts between elastic objects and producing bulge effects in an art-directable way. To achieve a seamless integration within animation workflows, we designed our deformation tool to provide instant feedback to the artist while enabling non-linear editing thanks to a fully time-independent strategy. To produce plausible bulge effects, our method can also preserve the volume exactly, while artistic controls are also possible to explore more exaggerated behaviors. More specifically, starting from multiple meshes in intersection, our deformer first computes the parts of the surfaces remaining in contact, and then applies a procedural displacement controlled by a profile curve. Although our tool processes each frame independently, it achieves temporally continuous deformations with artistic control of the bulge through a small number of pseudo-stiffness parameters. The plausibility of the deformation is further enhanced by anisotropically spreading the volume-preserving bulge. An extension is also proposed to handle self-collisions between adjacent parts of the same object that often occur in character skinning animation.The result of this work is a robust, real-time deformer that can handle complex geometric configurations like a ball squashed by a hand, colliding lips, bending fingers, etc.Les films et séries d'animation étant de plus en plus présents dans le divertissement grand public, les besoins des artistes en terme d'outils d'animation rapides et intuitifs ne cessent de croître. Les artistes ne font pas seulement appel à leur imagination et à leurs compétences pour donner vie à aux modèles numériques, ils s'inspirent également du monde physique pour mieux immerger les spectateurs dans leur environnement virtuel.De nombreux objets de notre environnement quotidien présentent des déformations élastiques lorsqu'ils sont mis en contact avec d'autres, par exemple une balle anti-stress écrasée par une main, un oreiller écrasant une tête lors d'une bataille d'oreillers ou un ballon rebondissant sur un poteau de but. Ils ont notamment tendance à s'écraser à l'intérieur du contact et à gonfler à l'extérieur. Ces effets d'écrasement et de gonflement sont essentiels pour communiquer une déformation plausible tout en capturant le comportement physique des matériaux mous dans divers contextes, tels que les films d'animation. Ce type de déformation est toutefois connu pour être difficile et fastidieux à reproduire manuellement par les artistes, et les outils existants restent limités pour une utilisation artistique.En pratique, ces déformations sont donc générées par des méthodes de simulation physique. Cependant, en raison de leur dépendance temporelle, elles doivent être exécutées après les étapes de rigging et d'animation, ce qui empêche une édition non linéaire de la scène 3D. De plus, les artistes ont souvent recours à des effets de déformation caricaturaux pour mieux transmettre les émotions et les idées qui sont difficiles à obtenir par simulation physique.La principale contribution de cette thèse est un nouvel outil de déformation purement géométrique et indépendant du temps qui assiste l'artiste en résolvant les contacts locaux entre les objets élastiques, ainsi qu'en produisant des effets de gonflement qui peuvent être contrôlés par l'artiste. Pour parvenir à une intégration transparente dans le processus de création d'animation, nous avons conçu notre outil de déformation de manière à fournir un retour instantané à l'artiste tout en permettant une édition non linéaire grâce à une stratégie entièrement indépendante du temps. Pour produire des effets de gonflement plausibles, notre méthode peut aussi préserver intégralement le volume, bien que des contrôles artistiques soient également possibles pour explorer des comportements plus exagérés. Plus précisément, à partir de plusieurs maillages en intersection, notre déformeur calcule d'abord les parties des surfaces restant en contact, puis applique un déplacement procédural contrôlé par une courbe de profil. Même si notre outil traite chaque image indépendamment, il réalise des déformations temporellement continues avec un contrôle artistique du gonflement grâce à un petit nombre de paramètres de pseudo-rigidité. La plausibilité de la déformation est encore renforcée par la répartition anisotrope du gonflement préservant le volume. Une extension est également proposée pour gérer les auto-collisions entre des parties adjacentes d'un même objet, qui se produisent fréquemment dans le contexte d'animation de personnages.Le résultat de ce travail est un déformeur temps réel robuste qui permet de gérer des configurations géométriques complexes telles qu'une balle écrasée par une main, des lèvres qui se touchent, des doigts qui se plient, etc

    Déformations géométriques indépendantes du temps pour les contacts élastiques

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    As animated films and series become more and more present in the mainstream entertainment, the artists’ needs are growing in term of fast and intuitive animation tools. Artists not only heavily rely on their imagination and skills to bring digital models to life; they also take inspiration from the physical world to better immerse viewers in their virtual environment.Many objects of our everyday surroundings exhibit elastic deformations when put in contact with others, e.g., a stress ball crushed by a hand, a pillow smashing a head during a pillow fight or a soft ball bouncing on a goal post. They most notably tend to squash inside the contact and to bulge outside of it. Such squashing and bulging effects are essential to communicate plausible deformation while capturing the physical behavior of soft materials in a variety of contexts, such as animated films. This type of deformation is, however, notoriously difficult and tedious to manually reproduce by computer graphics (CG) artists, and existing tools remain limited for artistic use.In practice, such deformations are thus generated through physically based simulation methods. However, due to their time-dependency, physical simulations must be run after the rigging and animation steps, preventing non-linear editing of the 3D scene. Moreover, artists also often resort to cartoonish deformation effects to better convey emotions and thoughts. Such exaggerated effects are difficult to achieve through physical simulations.The main contribution of this thesis is a novel purely geometric deformation framework that assists the artist by resolving local contacts between elastic objects and producing bulge effects in an art-directable way. To achieve a seamless integration within animation workflows, we designed our deformation tool to provide instant feedback to the artist while enabling non-linear editing thanks to a fully time-independent strategy. To produce plausible bulge effects, our method can also preserve the volume exactly, while artistic controls are also possible to explore more exaggerated behaviors. More specifically, starting from multiple meshes in intersection, our deformer first computes the parts of the surfaces remaining in contact, and then applies a procedural displacement controlled by a profile curve. Although our tool processes each frame independently, it achieves temporally continuous deformations with artistic control of the bulge through a small number of pseudo-stiffness parameters. The plausibility of the deformation is further enhanced by anisotropically spreading the volume-preserving bulge. An extension is also proposed to handle self-collisions between adjacent parts of the same object that often occur in character skinning animation.The result of this work is a robust, real-time deformer that can handle complex geometric configurations like a ball squashed by a hand, colliding lips, bending fingers, etc.Les films et séries d'animation étant de plus en plus présents dans le divertissement grand public, les besoins des artistes en terme d'outils d'animation rapides et intuitifs ne cessent de croître. Les artistes ne font pas seulement appel à leur imagination et à leurs compétences pour donner vie à aux modèles numériques, ils s'inspirent également du monde physique pour mieux immerger les spectateurs dans leur environnement virtuel.De nombreux objets de notre environnement quotidien présentent des déformations élastiques lorsqu'ils sont mis en contact avec d'autres, par exemple une balle anti-stress écrasée par une main, un oreiller écrasant une tête lors d'une bataille d'oreillers ou un ballon rebondissant sur un poteau de but. Ils ont notamment tendance à s'écraser à l'intérieur du contact et à gonfler à l'extérieur. Ces effets d'écrasement et de gonflement sont essentiels pour communiquer une déformation plausible tout en capturant le comportement physique des matériaux mous dans divers contextes, tels que les films d'animation. Ce type de déformation est toutefois connu pour être difficile et fastidieux à reproduire manuellement par les artistes, et les outils existants restent limités pour une utilisation artistique.En pratique, ces déformations sont donc générées par des méthodes de simulation physique. Cependant, en raison de leur dépendance temporelle, elles doivent être exécutées après les étapes de rigging et d'animation, ce qui empêche une édition non linéaire de la scène 3D. De plus, les artistes ont souvent recours à des effets de déformation caricaturaux pour mieux transmettre les émotions et les idées qui sont difficiles à obtenir par simulation physique.La principale contribution de cette thèse est un nouvel outil de déformation purement géométrique et indépendant du temps qui assiste l'artiste en résolvant les contacts locaux entre les objets élastiques, ainsi qu'en produisant des effets de gonflement qui peuvent être contrôlés par l'artiste. Pour parvenir à une intégration transparente dans le processus de création d'animation, nous avons conçu notre outil de déformation de manière à fournir un retour instantané à l'artiste tout en permettant une édition non linéaire grâce à une stratégie entièrement indépendante du temps. Pour produire des effets de gonflement plausibles, notre méthode peut aussi préserver intégralement le volume, bien que des contrôles artistiques soient également possibles pour explorer des comportements plus exagérés. Plus précisément, à partir de plusieurs maillages en intersection, notre déformeur calcule d'abord les parties des surfaces restant en contact, puis applique un déplacement procédural contrôlé par une courbe de profil. Même si notre outil traite chaque image indépendamment, il réalise des déformations temporellement continues avec un contrôle artistique du gonflement grâce à un petit nombre de paramètres de pseudo-rigidité. La plausibilité de la déformation est encore renforcée par la répartition anisotrope du gonflement préservant le volume. Une extension est également proposée pour gérer les auto-collisions entre des parties adjacentes d'un même objet, qui se produisent fréquemment dans le contexte d'animation de personnages.Le résultat de ce travail est un déformeur temps réel robuste qui permet de gérer des configurations géométriques complexes telles qu'une balle écrasée par une main, des lèvres qui se touchent, des doigts qui se plient, etc

    Déformations géométriques indépendantes du temps pour les contacts élastiques

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    Les films et séries d'animation étant de plus en plus présents dans le divertissement grand public, les besoins des artistes en terme d'outils d'animation rapides et intuitifs ne cessent de croître. Les artistes ne font pas seulement appel à leur imagination et à leurs compétences pour donner vie à aux modèles numériques, ils s'inspirent également du monde physique pour mieux immerger les spectateurs dans leur environnement virtuel.De nombreux objets de notre environnement quotidien présentent des déformations élastiques lorsqu'ils sont mis en contact avec d'autres, par exemple une balle anti-stress écrasée par une main, un oreiller écrasant une tête lors d'une bataille d'oreillers ou un ballon rebondissant sur un poteau de but. Ils ont notamment tendance à s'écraser à l'intérieur du contact et à gonfler à l'extérieur. Ces effets d'écrasement et de gonflement sont essentiels pour communiquer une déformation plausible tout en capturant le comportement physique des matériaux mous dans divers contextes, tels que les films d'animation. Ce type de déformation est toutefois connu pour être difficile et fastidieux à reproduire manuellement par les artistes, et les outils existants restent limités pour une utilisation artistique.En pratique, ces déformations sont donc générées par des méthodes de simulation physique. Cependant, en raison de leur dépendance temporelle, elles doivent être exécutées après les étapes de rigging et d'animation, ce qui empêche une édition non linéaire de la scène 3D. De plus, les artistes ont souvent recours à des effets de déformation caricaturaux pour mieux transmettre les émotions et les idées qui sont difficiles à obtenir par simulation physique.La principale contribution de cette thèse est un nouvel outil de déformation purement géométrique et indépendant du temps qui assiste l'artiste en résolvant les contacts locaux entre les objets élastiques, ainsi qu'en produisant des effets de gonflement qui peuvent être contrôlés par l'artiste. Pour parvenir à une intégration transparente dans le processus de création d'animation, nous avons conçu notre outil de déformation de manière à fournir un retour instantané à l'artiste tout en permettant une édition non linéaire grâce à une stratégie entièrement indépendante du temps. Pour produire des effets de gonflement plausibles, notre méthode peut aussi préserver intégralement le volume, bien que des contrôles artistiques soient également possibles pour explorer des comportements plus exagérés. Plus précisément, à partir de plusieurs maillages en intersection, notre déformeur calcule d'abord les parties des surfaces restant en contact, puis applique un déplacement procédural contrôlé par une courbe de profil. Même si notre outil traite chaque image indépendamment, il réalise des déformations temporellement continues avec un contrôle artistique du gonflement grâce à un petit nombre de paramètres de pseudo-rigidité. La plausibilité de la déformation est encore renforcée par la répartition anisotrope du gonflement préservant le volume. Une extension est également proposée pour gérer les auto-collisions entre des parties adjacentes d'un même objet, qui se produisent fréquemment dans le contexte d'animation de personnages.Le résultat de ce travail est un déformeur temps réel robuste qui permet de gérer des configurations géométriques complexes telles qu'une balle écrasée par une main, des lèvres qui se touchent, des doigts qui se plient, etc.As animated films and series become more and more present in the mainstream entertainment, the artists’ needs are growing in term of fast and intuitive animation tools. Artists not only heavily rely on their imagination and skills to bring digital models to life; they also take inspiration from the physical world to better immerse viewers in their virtual environment.Many objects of our everyday surroundings exhibit elastic deformations when put in contact with others, e.g., a stress ball crushed by a hand, a pillow smashing a head during a pillow fight or a soft ball bouncing on a goal post. They most notably tend to squash inside the contact and to bulge outside of it. Such squashing and bulging effects are essential to communicate plausible deformation while capturing the physical behavior of soft materials in a variety of contexts, such as animated films. This type of deformation is, however, notoriously difficult and tedious to manually reproduce by computer graphics (CG) artists, and existing tools remain limited for artistic use.In practice, such deformations are thus generated through physically based simulation methods. However, due to their time-dependency, physical simulations must be run after the rigging and animation steps, preventing non-linear editing of the 3D scene. Moreover, artists also often resort to cartoonish deformation effects to better convey emotions and thoughts. Such exaggerated effects are difficult to achieve through physical simulations.The main contribution of this thesis is a novel purely geometric deformation framework that assists the artist by resolving local contacts between elastic objects and producing bulge effects in an art-directable way. To achieve a seamless integration within animation workflows, we designed our deformation tool to provide instant feedback to the artist while enabling non-linear editing thanks to a fully time-independent strategy. To produce plausible bulge effects, our method can also preserve the volume exactly, while artistic controls are also possible to explore more exaggerated behaviors. More specifically, starting from multiple meshes in intersection, our deformer first computes the parts of the surfaces remaining in contact, and then applies a procedural displacement controlled by a profile curve. Although our tool processes each frame independently, it achieves temporally continuous deformations with artistic control of the bulge through a small number of pseudo-stiffness parameters. The plausibility of the deformation is further enhanced by anisotropically spreading the volume-preserving bulge. An extension is also proposed to handle self-collisions between adjacent parts of the same object that often occur in character skinning animation.The result of this work is a robust, real-time deformer that can handle complex geometric configurations like a ball squashed by a hand, colliding lips, bending fingers, etc

    Efficient Liquid Animation: New Discretizations for Spatially Adaptive Liquid Viscosity and Reduced-Model Two-Phase Bubbles and Inviscid Liquids

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    The work presented in this thesis focuses on improving the computational efficiency when simulating viscous liquids and air bubbles immersed in liquids by designing new discretizations to focus computational effort in regions that meaningfully contribute to creating realistic motion. For example, when simulating air bubbles rising through a liquid, the entire bubble volume is traditionally simulated despite the bubble’s interior being visually unimportant. We propose our constraint bubbles model to avoid simulating the interior of the bubble volume by reformulating the usual incompressibility constraint throughout a bubble volume as a constraint over only the bubble’s surface. Our constraint method achieves qualitatively similar results compared to a two-phase simulation ground-truth for bubbles with low densities (e.g., air bubbles in water). For bubbles with higher densities, we propose our novel affine regions to model the bubble’s entire velocity field with a single affine vector field. We demonstrate that affine regions can correctly achieve hydrostatic equilibrium for bubble densities that match the surrounding liquid and correctly sink for higher densities. Finally, we introduce a tiled approach to subdivide large-scale affine regions into smaller subregions. Using this strategy, we are able to accelerate single-phase free surface flow simulations, offering a novel approach to adaptively enforce incompressibility in free surface liquids without complex data structures. While pressure forces are often the bottleneck for inviscid fluid simulations, viscosity can impose orders of magnitude greater computational costs. We observed that viscous liquids require high simulation resolution at the surface to capture detailed viscous buckling and rotational motion but, because viscosity dampens relative motion, do not require the same resolution in the liquid’s interior. We therefore propose a novel adaptive method to solve free surface viscosity equations by discretizing the variational finite difference approach of Batty and Bridson (2008) on an octree grid. Our key insight is that the variational method guarantees a symmetric positive definite linear system by construction, allowing the use of fast numerical solvers like the Conjugate Gradients method. By coarsening simulation grid cells inside the liquid volume, we rapidly reduce the degrees-of-freedom in the viscosity linear system up to a factor of 7.7x and achieve performance improvements for the linear solve between 3.8x and 9.4x compared to a regular grid equivalent. The results of our adaptive method closely match an equivalent regular grid for common scenarios such as: rotation and bending, buckling and folding, and solid-liquid interactions

    Tools for fluid simulation control in computer graphics

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    L’animation basée sur la physique peut générer des systèmes aux comportements complexes et réalistes. Malheureusement, contrôler de tels systèmes est une tâche ardue. Dans le cas de la simulation de fluide, le processus de contrôle est particulièrement complexe. Bien que de nombreuses méthodes et outils ont été mis au point pour simuler et faire le rendu de fluides, trop peu de méthodes offrent un contrôle efficace et intuitif sur une simulation de fluide. Étant donné que le coût associé au contrôle vient souvent s’additionner au coût de la simulation, appliquer un contrôle sur une simulation à plus haute résolution rallonge chaque itération du processus de création. Afin d’accélérer ce processus, l’édition peut se faire sur une simulation basse résolution moins coûteuse. Nous pouvons donc considérer que la création d’un fluide contrôlé peut se diviser en deux phases: une phase de contrôle durant laquelle un artiste modifie le comportement d’une simulation basse résolution, et une phase d’augmentation de détail durant laquelle une version haute résolution de cette simulation est générée. Cette thèse présente deux projets, chacun contribuant à l’état de l’art relié à chacune de ces deux phases. Dans un premier temps, on introduit un nouveau système de contrôle de liquide représenté par un modèle particulaire. À l’aide de ce système, un artiste peut sélectionner dans une base de données une parcelle de liquide animé précalculée. Cette parcelle peut ensuite être placée dans une simulation afin d’en modifier son comportement. À chaque pas de simulation, notre système utilise la liste de parcelles actives afin de reproduire localement la vision de l’artiste. Une interface graphique intuitive a été développée, inspirée par les logiciels de montage vidéo, et permettant à un utilisateur non expert de simplement éditer une simulation de liquide. Dans un second temps, une méthode d’augmentation de détail est décrite. Nous proposons d’ajouter une étape supplémentaire de suivi après l’étape de projection du champ de vitesse d’une simulation de fumée eulérienne classique. Durant cette étape, un champ de perturbations de vitesse non-divergent est calculé, résultant en une meilleure correspondance des densités à haute et à basse résolution. L’animation de fumée résultante reproduit fidèlement l’aspect grossier de la simulation d’entrée, tout en étant augmentée à l’aide de détails simulés.Physics-based animation can generate dynamic systems of very complex and realistic behaviors. Unfortunately, controlling them is a daunting task. In particular, fluid simulation brings up particularly difficult problems to the control process. Although many methods and tools have been developed to convincingly simulate and render fluids, too few methods provide efficient and intuitive control over a simulation. Since control often comes with extra computations on top of the simulation cost, art-directing a high-resolution simulation leads to long iterations of the creative process. In order to shorten this process, editing could be performed on a faster, low-resolution model. Therefore, we can consider that the process of generating an art-directed fluid could be split into two stages: a control stage during which an artist modifies the behavior of a low-resolution simulation, and an upresolution stage during which a final high-resolution version of this simulation is driven. This thesis presents two projects, each one improving on the state of the art related to each of these two stages. First, we introduce a new particle-based liquid control system. Using this system, an artist selects patches of precomputed liquid animations from a database, and places them in a simulation to modify its behavior. At each simulation time step, our system uses these entities to control the simulation in order to reproduce the artist’s vision. An intuitive graphical user interface inspired by video editing tools has been developed, allowing a nontechnical user to simply edit a liquid animation. Second, a tracking solution for smoke upresolution is described. We propose to add an extra tracking step after the projection of a classical Eulerian smoke simulation. During this step, we solve for a divergence-free velocity perturbation field resulting in a better matching of the low-frequency density distribution between the low-resolution guide and the high-resolution simulation. The resulting smoke animation faithfully reproduces the coarse aspect of the low-resolution input, while being enhanced with simulated small-scale details

    Novel Paradigms in Physics-Based Animation: Pointwise Divergence-Free Fluid Advection and Mixed-Dimensional Elastic Object Simulation

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    This thesis explores important but so far less studied aspects of physics-based animation: a simulation method for mixed-dimensional and/or non-manifold elastic objects, and a pointwise divergence-free velocity interpolation method applied to fluid simulation. Considering the popularity of single-type models e.g., hair, cloths, soft bodies, etc., in deformable body simulations, more complicated coupled models have gained less attention in graphics research, despite their relative ubiquity in daily life. This thesis presents a unified method to simulate such models: elastic bodies consisting of mixed-dimensional components represented with potentially non-manifold simplicial meshes. Building on well-known simplicial rod, shell, and solid models, this thesis categorizes and defines a comprehensive palette expressing all possible constraints and elastic energies for stiff and flexible connections between the 1D, 2D, and 3D components of a single conforming simplicial mesh. For fluid animation, this thesis proposes a novel methodology to enhance grid-based fluid animation with pointwise divergence-free velocity interpolation. Unlike previous methods which interpolate discrete velocity values directly for advection, this thesis proposes using intermediate steps involving vector potentials: first build a discrete vector potential field, interpolate these values to form a pointwise potential, and apply the continuous curl to recover a pointwise divergence-free flow field. Particles under these pointwise divergence-free flows exhibit significantly better particle distributions than divergent flows over time. To accelerate the use of vector potentials, this thesis proposes an efficient method that provides boundary-satisfying and smooth discrete potential fields on uniform and cut-cell grids. This thesis also introduces an improved ramping strategy for the “Curl-Noise” method of Bridson et al. (2007), which enforces exact no-normal-flow on the exterior domain boundaries and solid surfaces. The ramping method in the thesis effectively reduces the incidence of particles colliding with obstacles or creating erroneous gaps around the obstacles, while significantly alleviating the artifacts the original ramping strategy produces

    EFFICIENT PARTICLE-BASED VISCOUS FLUID SIMULATION WITH VIDEO-GUIDED REAL-TO-VIRTUAL PARAMETER TRANSFER

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    Viscous fluids, such as honey and molten chocolate, are common materials frequently seen in our daily life. These viscous fluids exhibit characteristic behaviors. Capturing and understanding such dynamics have been required for various applications. Although recent research made advances in simulating the viscous fluid dynamics, still many challenges are left to be addressed. In this dissertation, I present novel techniques to more efficiently and accurately simulate viscous fluid dynamics and propose a parameter identification framework to facilitate the tedious parameter tuning steps for viscous materials. In fluid simulation, enforcing the incompressibility robustly and efficiently is essential. One known challenge is how to set appropriate boundary conditions for free surfaces and solid boundaries. I propose a new boundary handling approach for an incompressible particle-based solver based on the connectivity analysis for simulation particles. Another challenge is that previously proposed techniques do not scale well. To address this, I propose a new multilevel particle-based solver which constructs the hierarchy of simulation particles. These techniques improve the robustness and efficiency achieving the nearly linear scaling unlike previous approaches. To simulate characteristic behaviors of viscous fluids, such as coiling and buckling phenomena and adhesion to other materials, it is necessary to develop a specialized solver. I propose a stable and efficient particle-based solver for simulating highly viscous fluids by using implicit integration with the full form of viscosity. To simulate more accurate interactions with solid objects, I propose a new two-way fluid-solid coupling method for viscous fluids via the unified minimization. These approaches also improve the robustness and efficiency while generating rotational and sticky behaviors of viscous fluids. One important challenge for the physically-based simulation is that it is not obvious how to choose appropriate material parameters to generate our desirable behaviors of simulated materials. I propose a parameter identification framework that helps to tune material parameters for viscous fluids with example video data captured from real world fluid phenomena. This framework identifies viscosity parameters for the real viscous fluids while estimating the hidden variables for the fluids, and enables the parameter transfer from the real world to virtual environment.Doctor of Philosoph
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