Simulare la fisica dietro il movimento dei liquidi e il modo in cui i fluidi, spessi o sottili, interagiscono con altri oggetti è un problema chiave negli effetti visivi. Dare vita a scenari come un pennello che mescola e sparge pittura ad olio su una tela o spaghetti conditi nel sugo per la pasta richiede una sofisticata modellazione computazionale. Questi tipi di scenari, in particolare, sono difficili da simulare a causa della complessa reologia del liquido - come la sua forma cambia e si trasforma con il movimento - e le intricate interazioni tra il liquido e i fili.

Un team di scienziati informatici sta affrontando questo problema nella computer grafica con un romanzo, quadro multiscala che imita realisticamente e con precisione le complesse dinamiche dei filamenti che interagiscono con i cosiddetti liquidi dipendenti dal taglio, come fango, pittura a olio, cioccolato fuso, o sugo per la pasta. I ricercatori, dalla Columbia Engineering e dall'Università di Waterloo, sono pronti a presentare il loro lavoro ad ACM SIGGRAPH Asia, tenutasi dal 17 al 20 novembre a Brisbane, Australia. SIGGRAPH Asia, ora nel suo 12° anno, attrae le persone tecniche e creative più rispettate di tutto il mondo nella computer grafica, animazione, interattività, gioco, e tecnologie emergenti.

Unica di questo lavoro è la modellazione precisa della complessità della dinamica del filamento fluido. Immagina per esempio una ciotola di spaghetti, e cercando di animare quanta salsa si aggrappa ai vari fili della pasta mentre viene girata e sollevata da una ciotola con una forchetta. Per simulare uno scenario del genere, il metodo dei ricercatori spiega l'interazione fluido-filo che si verifica su molte scale, sia su piccola scala per i fili sottili e i loro flussi superficiali sia su larga scala per i fluidi sfusi.

"La natura multiscala di questo problema pone una sfida chiave, " dice Yun (Raymond) Fei, autore principale del lavoro che ha recentemente completato il suo dottorato di ricerca. in informatica alla Columbia. "Richiede che il nostro modello di simulazione gestisca sia un grosso pezzo di fluidi in movimento sia il piccolo, moti dettagliati dei trefoli e dei loro flussi superficiali."

I collaboratori di Fei includono i coautori Christopher Batty dell'Università di Waterloo-Canada e della Columbia Engineering, Eitan Grinspun e Changxi Zheng.

Espandendo il lavoro precedente nell'animazione dei capelli bagnati, questo nuovo quadro computazionale tiene conto della variazione di volume del liquido mentre passa attraverso i filamenti e dello scambio di quantità di moto tra i filamenti e il liquido. La loro struttura tiene conto anche della coesione tra i filamenti e di come i movimenti dei fluidi influenzano il movimento dei filamenti e viceversa. Il framework è costituito da tre componenti:un modello che simula il fluido che scorre sulla superficie dei trefoli, un modello che simula il movimento delle singole ciocche di capelli e le loro collisioni (ad esempio la ciotola di spaghetti e salsa), e un modello che simula il movimento del fluido sfuso come un continuum, come l'acqua che scorre da un rubinetto.

"Il nostro algoritmo riunisce più modelli fisici su scala sia fine che grande, e consente alla simulazione di acquisire immagini altamente complesse, fenomeni ricchi e multi-fisici nelle interazioni fluido-filamento, "dice Zheng, professore associato di informatica alla Columbia.

I ricercatori hanno dimostrato il loro metodo su un'ampia gamma di materiali e una serie di esempi, compresi scenari impegnativi che coinvolgono spruzzi, tremante, e agitando il liquido che fa sì che i fili si attacchino e si impigliano. Per esempio, per illustrare il comportamento coesivo e di attrito dei capelli bagnati, il metodo è stato utilizzato per simulare realisticamente una palla ricoperta di peli che si solleva da una pozza di fango e si scuote. Quando il movimento si ferma, i peli si attaccano e si aggrovigliano come previsto. Un video dimostrativo del nuovo metodo può essere visto qui.

"C'è una ricchezza di esempi di filamenti fluidi nel mondo fisico che siamo stati ispirati a imitare nel mondo virtuale, "dice Grinspun, che ha condotto la ricerca mentre era professore associato presso la Columbia Engineering; Grinspun è ora professore di informatica all'Università di Toronto. "Quello che siamo riusciti a realizzare e a prestare ad artisti e fruitori è un preciso, tecnica multiscala per spiegare gli strati di matematica e fisica sofisticati dietro questa complessa dinamica".

Il metodo del team può essere immediatamente applicato alla creazione di effetti speciali nell'industria cinematografica. Il lavoro precedente di questi collaboratori è stato utilizzato da importanti case di effetti visivi come WETA Digital, e in lungometraggi tra cui Oceania e Il libro della giungla. Nel lavoro futuro, i ricercatori prevedono che questo metodo possa essere applicato per prevedere come gli oggetti si muovono e si formano nella produzione di cosmetici o nella progettazione robotica.