Animação de Fluidos via Modelos do Tipo Lattice Gas e Lattice Boltzmann

Dissertação de Mestrado

(indexada pela 1ªvez em 6/1/2012)

Nome: Sicilia Ferreira Ponce Pasini Judice
Instituição: Laboratório Nacional de Computação Científica
Programa: Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional
Orientador: Gilson Antônio Giraldi
Ano: 2009
País: Brasil

Resumo

Técnicas baseadas em física têm chamado a atenção da comunidade de  computação gráfica, em especial para animação de fluidos (gás ou  líquidos). As técnicas tradicionais para animação de fluidos são  metodologias top-down baseadas em malhas 2D/3D, tais como Diferenças  Finitas e Elementos Finitos, em conjunto com equações de fluidos  Navier-Stokes. Entretanto, tais métodos têm um custo computacional alto. Uma  alternativa é o uso de técnicas baseadas em Autômatos Celulares do tipo  Lattice Gas (LGCA) e o Método de Lattice Boltzmann (LBM). A idéia  básica desses métodos consiste em obter a dinâmica macroscópica de um  fluido a partir do comportamento coletivo de diversas partículas  microscópicas. Em geral, tais metodologias bottom-up são eficientes do ponto de vista computacional. Neste  trabalho, são estudados os aspectos teóricos e práticos da animação  computacional de fluidos bidimensionais para computação gráfica, usando  um método LGCA chamado FHP, e um método LBM chamado D2Q9. é proposto um modelo de fluido 3D baseado nos modelos bidimensionais FHP e D2Q9, bem como em métodos de interpolação. Em  seguida, são apresentadas duas aplicações para animação de fluidos  através dos métodos mencionados, uma para execução em tempo real e outra  para execução off-line. Nos resultados dos experimentos  computacionais são enfatizados a simplicidade e o potencial dos modelos  propostos quando combinados com técnicas eficientes de rendering.

Palavras-chave: Animação por Computador, Autômato Celular, Dinâmica dos Fluidos, Processamento Eletrônico de Dados.

Abstract

Physically-based techniques for the animation of fluids (gas or liquids) have taken the attention of the computer graphics community. The traditional fluid animation methods rely on a top down viewpoint that uses 2D/3D mesh based approaches motivated by the Eulerian methods of Finite Element (FE) and Finite Difference (FD), in conjunction with Navier-Stokes equations of fluids. Alternatively, lattice methods comprised by the Lattice Gas Cellular Automata (LGCA) and Lattice Boltzmann (LBM) can be used. The basic idea behind these methods is that the macroscopic dynamics of a fluid is the result of the collective behavior of many microscopic particles. Such bottom-up approaches need low computational resources for both the memory allocation and the computation itself. In this work, we consider animation of fluids for computer graphics applications, using a LGCA method called FHP, and a LBM method called D2Q9, both bidimensional models. We propose 3D fluid animation techniques based on the FHP and D2Q9 as well as interpolation methods. Then, we present two animating frameworks based on the mentioned lattice methods, one for a real time implementation and the other for an off-line implementation. In the experimental results we emphasize the simplicity and power of the presented models when combined with efficient techniques for rendering and compare their efficiency.

Keywords: Computer Animation, Cellular Automata, Fluids Animation, Data Processing.

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