Simulación de agua en tiempo real ofrece detalle sin precedentes

• Nuevo modelo cierra la brecha entre simulación realista de olas de agua y cómputo eficiente.
• Codifica las olas con diferentes parámetros físicos para simular pequeños detalles en grandes resoluciones.
• Puede usarse para mejorar capacidades de juegos, películas y programas de realidad virtual.

Los métodos existentes de simulación de agua u olas son capaces de proporcionar efectos realistas o cómputo rápido: no pueden optimizar ambos al mismo tiempo. Carecen de interacciones con objetos en movimiento y métodos de elementos finitos responsables de interacciones ambientales.

Ahora investigadores del Institute of Science and Technology Austria y NVIDIA han desarrollado una nueva técnica que cierra esta brecha reproduciendo interacciones complejas con el entorno en tiempo real.

Puede simular interacciones de olas con obstáculos preservando minúsculos detalles y acomodando una escena muy grande. Esta simulación presenta un movimiento agregado de olas de alta frecuencia, incluso en bajas resoluciones donde fases jittered se adaptan mejor a fuentes de olas ruidosas como viento caótico, salpicaduras y materiales flotantes.

¿Cómo funciona?

Las técnicas existentes de simulación de olas usan método 'Numérico' o 'basado en Fourier'. El método numérico puede generar variedad de efectos en detalle, mientras que el método basado en Fourier es mucho más eficiente (usa menos recursos computacionales). Es bastante imposible usar estos métodos para generar escenas de kilómetro de largo con detalles precisos y interacciones ambientales exactas.

Para aumentar la velocidad computacional de olas, el nuevo modelo realiza discretización de amplitudes de ola como función de dirección y frecuencia, en lugar de discretizar el momentum y altura de ola en cada punto individual.

Frame de animación en tiempo real | Crédito: Stefan Jeschke

El equipo creó una transformación wavelet para discretizar las amplitudes de las olas como función de frecuencia, dirección y espacio combinados. Las variables resultantes cambian gradualmente sobre el espacio, representando la misma cantidad de datos (como función de altura de ola usada en métodos tradicionales) con menos variables.

Además, es menos sensible a restricciones convencionales basadas en frecuencia como el límite de Nyquist, que transforma la frecuencia espacial máxima en tamaño de paso y detalles gráficos. Por tanto, el método permite tanto interacciones locales de olas como detalles de olas de alta resolución.

Crearon nuevas ecuaciones para propagar estas amplitudes locales basadas en frecuencia a través del espacio. Las ecuaciones producen operaciones simples de difusión y advección bidimensionales que pueden implementarse en paralelo en hardware gráfico.

Referencia: ASL DL | doi:10.1145/3197517.3201336 | IST Austria

Extensiones y aplicaciones

Los investigadores desarrollaron extensiones fundamentales del simulador, incluyendo acoplamiento fluido-sólido bidireccional y caminos de olas pre-diseñados. También diseñaron una herramienta llamada 'wave-painter' que actúa como pincel en software de dibujo.

Permite a artistas sobrescribir la naturaleza (física con movimientos scriptados) y crear escenas personalizadas con facilidad. Por ejemplo, se puede usar esta herramienta para elevar la altura de la ola en una ubicación particular.

Es fácil configurar estas simulaciones y modelar flujo de agua en entornos siempre cambiantes como océanos y ríos. El modelo también podría simplificar y extender capacidades de juegos, cine y programas de realidad virtual.

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Investigadores planean extender su trabajo para lidiar con una relación de dispersión basada en altura más general, lo que crearía efectos refractarios aún mejores cerca de aguas someras.