La simulación de agua en tiempo real ofrece detalles inigualables

• Un nuevo modelo cierra la brecha entre la simulación realista de ondas de agua y la informática eficiente. 
• Codifica las ondas con diferentes parámetros físicos para simular pequeños detalles en grandes resoluciones. 
• Se puede utilizar para mejorar las capacidades de juegos, películas y programas de realidad virtual.  

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

Ahora, los investigadores del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria y NVIDIA han desarrollado una nueva técnica que cierra esta brecha al reproducir interacciones complejas con el entorno en tiempo real.

Puede simular las interacciones de las olas con los obstáculos, al mismo tiempo que persevera en pequeños detalles y se adapta a una escena muy grande. Esta simulación presenta un movimiento agregado de olas de alta frecuencia, incluso a bajas resoluciones, donde las fases fluctuantes se adaptan mejor a fuentes de olas ruidosas como viento caótico, salpicaduras y materiales flotantes.

¿Cómo funciona?

Las técnicas de simulación de olas existentes utilizan el método "numérico" o "basado en Fourier". El método numérico puede generar una variedad de efectos en detalle, mientras que el método basado en Fourier es mucho más eficiente (utiliza menos recursos computacionales). Es prácticamente imposible utilizar estos métodos para generar escenas detalladas de kilómetros de longitud con interacciones ambientales precisas.

Para aumentar la velocidad computacional de las ondas, el nuevo modelo realiza una discretización de las amplitudes de las ondas en función de la dirección y la frecuencia, en lugar de discretizar el impulso y la altura de las ondas en cada punto.

Cuadro de animación en tiempo real | Crédito:Stefan Jeschke

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

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

Crearon nuevas ecuaciones para propagar estas amplitudes locales basadas en frecuencias a través del espacio. Las ecuaciones generan operaciones bidimensionales simples de difusión y advección que se pueden implementar en paralelo en hardware de gráficos.

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

Extensión y aplicaciones

Los investigadores desarrollaron algunas extensiones fundamentales del simulador, incluido el acoplamiento de fluido sólido bidireccional y trayectorias de onda prediseñadas. También han diseñado una herramienta llamada "wave-painter" que actúa como un pincel en un software de dibujo.

Permite a los artistas sobrescribir la naturaleza (física con movimientos programados) y crear escenas personalizadas con facilidad. Por ejemplo, se puede utilizar esta herramienta para elevar la altura de la ola en un lugar determinado.

Es fácil configurar estas simulaciones y modelar el flujo de agua en entornos en constante cambio como océanos y ríos. El modelo también podría simplificar y ampliar las capacidades de los juegos, películas y programas de realidad virtual.

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Los investigadores planean ampliar su trabajo para abordar una relación de dispersión más general basada en la altura, lo que crearía efectos refractivos aún mejores cerca de aguas poco profundas.