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Animação Computacional da Chuva com Fluxo Superficial Simulado Via SPH

Dissertação de Mestrado
 
Nome: Bruno Barcellos de Souza Coutinho
Instituição: Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ
Programa: Coordenação dos Programas de Pós-Graduação de Engenharia, Programa de Engenharia de Sistemas e Computação
Orientador: Antonio Alberto Fernandes de Oliveira
Ano: 2011
País: Brasil

Resumo
A animação da chuva é uma tarefa complexa onde são necessários esforços não só para tratar a dinâmica da água, mas também para se obter um "rendering" realístico. Efeitos secundários, como os respingos (splashes) das gotas, a formação de fluxo superficial e acúmulo são dificuldades conhecidas em computação gráfica. Nesse trabalho propomos um "framework" para a integração desses elementos em uma cena contendo um modelo digital de terreno (MDT). O aplicativo também oferece a possibilidade de inserção de chuva (sem fluxo superficial e respingos) em um vídeo real. A chuva é modelada através de um sistema de partículas, implementado em CUDA. Cada partícula representa uma gota e então a "Precomputed Radiance Transfer" (PRT), expressa em uma base de harmônicos esféricos, é utilizada para incorporar a luz do ambiente (environment lightning) na etapa de "rendering". Para a animação de fluxo superficial e acúmulo da água na superfície do MDT utilizamos o "Smoothed Particle Hydrodynamics" (SPH). O "rendering" da superfície livre do fluido é realizado aplicando "environment mapping", dosado pelo termo de Fresnel, sobre uma malha regular conhecida como "carpet", utilizada para extrair a superfície livre do fluido. Os resultados experimentais ressaltam o potencial do "framework" proposto para aplicações de computação gráfica e destaca que o modelo também pode ser utilizado para aplicações de tempo real.


Abstract
Realistic rain scenes animation is a complex task due to both the rendering and fluid dynamics simulation issues. The associated phenomena, like rain strokes rendering, splashing of raindrops and the simulation of the generated surface flow are known difficulties in this area. This paper describes a computational framework to incorporate these elements in a scene containing a digital terrain model (DTM). The proposed framework also allows the rain insertion (without surface flow and splashes) in a real video. In the rain model, the raindrops are modeled by a particle system implemented in GPU. Each particle represents a drop and the Precomputed Radiance Transfer (PRT), expressed in a spherical harmonics bases, is used to incorporate environment lightning to the rendering engine. The Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method is employed for simulating the superficial flow over the terrain and lake formations. The rendering of the fluid free surface is performed by applying an environment mapping technque plus Fresnel effects to a regular geometric representation known as “carpet”. The experimental results show the potential of the proposed pipeline for computer graphics and highlight the fact that it is a promising framework for real time applications.

Palavras-chave: Animação da chuva, SPH, Sistemas de partículas, PRT, Modelo de terreno, Dissertação.

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