Partikelbasierte Animation von komplexen Materialien in der Computergrafik

• Antragsteller: Professor Dr. Jan Stephen Bender
• Fachliche Zuordnung: Bild- und Sprachverarbeitung, Computergraphik und Visualisierung, Human Computer Interaction, Ubiquitous und Wearable Computing
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 543332027

In vielen Anwendungen der Computergrafik spielen physikalisch-basierte Animationsverfahren heutzutage eine wichtige Rolle, z.B. bei Spezialeffekten in Filmen, in Computerspielen oder in Virtual Reality Anwendungen. In diesem Forschungsbereich wurden in den letzten Jahren partikelbasierte Animationsverfahren populär, da diese einige Vorteile haben: sie unterstützen Topologieänderungen, vereinfachen Phasenübergänge und erlauben eine einheitliche Repräsentation von Festkörpern und Fluiden, wodurch die Koppelung verschiedener physikalischer Modelle vereinfacht wird. Ein in der Computergrafik wichtiger und bereits etablierter partikelbasierter Simulationsansatz ist Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), welcher komplexe Multiphysik-Simulationen ermöglicht. In diesem Projekt wollen wir neue SPH-Verfahren entwickeln und damit das SPH-Framework um neue Materialien und physikalische Phänomene erweitern. Im ersten Arbeitsschritt wollen wir ein neues SPH-Simulationsverfahren für granulare Materialien entwickeln. Dabei soll ein elastoplastisches Materialmodell verwendet werden, um die Reibung zu modellieren. Dieses soll mit dem Drucker-Prager-Fließkriterium kombiniert werden, so dass auf Partikel mit wenig Druck nur kleine Reibungskräfte wirken. Aufgrund der Abhängigkeit vom Druck soll schließlich eine starke Koppelung mit dem Drucklöser untersucht werden. SPH verwendet für alle Berechnungen Partikelinformationen in einer dreidimensionalen Nachbarschaft. Daher ist es nicht direkt möglich Materialien mit einer annähernd ein- bzw. zweidimensionalen Struktur, wie z.B. Haare, Seile oder Textilien, zu simulieren. Da solche Materialien in der Computergrafik eine wichtige Rolle spielen, wollen wir im zweiten Arbeitspaket ein kodimensionales Simulationsverfahren entwickeln, um diese Lücke zu schließen. Dabei soll die simulierte Geometrie an jedem Punkt lokal durch eine gekrümmten Fläche bzw. Kurve approximiert werden, um dann die SPH-Berechnungen in der niedrigeren Dimension dieser Approximation durchzuführen. Außerdem soll ein geeignetes Modell für die Simulation von Biegung und Torsion entwickelt werden. Ein wichtiger Aspekt bei der Erweiterung des SPH-Frameworks um neue Materialien ist, dass diese aufgrund der einheitlichen SPH-Formulierung leicht mit anderen gekoppelt werden können. Eine einfache Koppelung von Sand oder Textilien mit Flüssigkeiten spiegelt allerdings nicht das reale Materialverhalten wider, da es sich um poröse Materialien handelt. Diese können Flüssigkeit aufnehmen, welche sich im porösen Medium verteilt und wodurch sich das Materialverhalten ändert. Diesen Effekt wollen wir im letzten Teil des Projektes simulieren. Dafür wollen wir ein neues SPH-Verfahren für die Simulation von porösen Körpern entwickeln, welches die Druckkräfte im Körper, Kapillarkräfte sowie Kohäsions- und Adhäsionskräfte berücksichtigt. Insgesamt soll mit diesem Projekt das SPH-Framework deutlich erweitert und in der Computergrafik weiter etabliert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen