Realistic simulation and animation of clouds using SkewT-LogP diagrams

Nuvens e clima são tópicos importantes em computação gráfica, nomeadamente na simulação e animação de fenómenos naturais. Tal deve-se ao facto de a simulação de fenómenos naturais−onde as nuvens estão incluídas−encontrar aplicações em filmes, jogos e simuladores de voo. Contudo, as técnicas existentes em computação gráfica apenas permitem representações de nuvens simplificadas, tornadas possíveis através de dinâmicas fictícias que imitam a realidade. O problema que este trabalho pretende abordar prende-se com a simulação de nuvens adequadas para utilização em ambientes virtuais, isto é, nuvens com dinâmica baseada em física que variam ao longo do tempo. Em meteorologia é comum usar técnicas de simulação de nuvens baseadas em leis da física, contudoossistemasatmosféricosdeprediçãonuméricasãocomputacionalmente pesados e normalmente possuem maior precisão numérica do que o necessário em computação gráfica. Neste campo, torna-se necessário direcionar e ajustar as características físicas ou contornar a realidade de modo a atingir os objetivos artísticos, sendo um fator fundamental que faz com que a computação gráfica se distinga das ciências físicas. Contudo, simulações puramente baseadas em física geram soluções de acordo com regras predefinidas e tornam-se notoriamente difíceis de controlar. De modo a enfrentar esses desafios desenvolvemos um novo método de simulação de nuvens baseado em física que possui a característica de ser computacionalmente leve e simula as propriedades dinâmicas relacionadas com a formação de nuvens. Este novo modelo evita resolver as equações físicas, ao apresentar uma solução explícita para essas equações através de diagramas termodinâmicos SkewT/LogP. O sistema incorpora dados reais de forma a simular os parâmetros necessários para a formação de nuvens. É especialmente adequado para a simulação de nuvens cumulus que se formam devido ao um processo convectivo. Esta abordagem permite não só reduzir os custos computacionais de métodos baseados em física, mas também fornece a possibilidade de controlar a forma e dinâmica de nuvens através do controlo dos níveis atmosféricos existentes no diagrama SkewT/LogP. Nestatese,abordámostambémumoutrodesafio,queestárelacionadocomasimulação de nuvens orográficas. Do nosso conhecimento, esta é a primeira tentativa de simular a formação deste tipo de nuvens. A novidade deste método reside no fato de este tipo de nuvens serem não convectivas, oque se traduz nocálculodeoutrosníveis atmosféricos. Além disso, atendendo a que este tipo de nuvens se forma sobre montanhas, é também apresentadoumalgoritmoparadeterminarainfluênciadamontanhasobreomovimento da nuvem. Em resumo, esta dissertação apresenta um conjunto de algoritmos para a modelação e simulação de nuvens cumulus e orográficas, recorrendo a diagramas termodinâmicos SkewT/LogP pela primeira vez no campo da computação gráfica.Clouds and weather are important topics in computer graphics, in particular in the simulation and animation of natural phenomena. This is so because simulation of natural phenomena−where clouds are included−find applications in movies, games and flight simulators. However, existing techniques in computer graphics only offer the simplified cloud representations, possibly with fake dynamics that mimic the reality. The problem that this work addresses is how to find realistic simulation of cloud formation and evolution, that are suitable for virtual environments, i.e., clouds with physically-based dynamics over time. It happens that techniques for cloud simulation are available within the area of meteorology, but numerical weather prediction systems based on physics laws are computationally expensive and provide more numerical accuracy than the required accuracy in computer graphics. In computer graphics, we often need to direct and adjust physical features, or even to bend the reality, to meet artistic goals, which is a key factor that makes computer graphics distinct from physical sciences. However, pure physically-based simulations evolve their solutions according to pre-set physics rules that are notoriously difficult to control. In order to face these challenges we have developed a new lightweight physically-based cloudsimulationschemethatsimulatesthedynamicpropertiesofcloudformation. This new model avoids solving the physically-based equations typically used to simulate the formation of clouds by explicitly solving these equations using SkewT/LogP thermodynamic diagrams. The system incorporates a weather model that uses real data to simulate parameters related to cloud formation. This is specially suitable to the simulation of cumulus clouds, which result from a convective process. This approach not only reduces the computational costs of previous physically-based methods, but also provides a technique to control the shape and dynamics of clouds by handling the cloud levels in SkewT/LogP diagrams. In this thesis, we have also tackled a new challenge, which is related to the simulation oforographic clouds. From ourknowledge, this isthefirstattempttosimulatethis type of cloud formation. The novelty in this method relates to the fact that these clouds are non-convective, so that different atmospheric levels have to be determined. Moreover, since orographic clouds form over mountains, we have also to determine the mountain influence in the cloud motion. In summary, this thesis presents a set of algorithms for the modelling and simulation of cumulus and orographic clouds, taking advantage of the SkewT/LogP diagrams for the first time in the field of computer graphics