Simuler la physique derrière le mouvement des liquides et comment les fluides, épais ou minces, interagissent avec d'autres objets est un problème clé dans les effets visuels. Donner vie à des scénarios tels qu'un pinceau remuant et étalant de la peinture à l'huile sur une toile ou des spaghettis jetés dans une sauce pour pâtes implique une modélisation informatique sophistiquée. Ces types de scénarios, en particulier, sont difficiles à simuler en raison de la rhéologie complexe du liquide - comment sa forme change et se transforme avec le mouvement - et les interactions complexes entre le liquide et les brins.

Une équipe d'informaticiens aborde ce problème en infographie avec un roman, cadre multi-échelle qui imite de façon réaliste et précise la dynamique complexe des brins interagissant avec des liquides dits cisaillés, comme la boue, peinture à l'huile, chocolat fondu, ou sauce pour pâtes. Les chercheurs, de Columbia Engineering et de l'Université de Waterloo, sont sur le point de présenter leur travail à ACM SIGGRAPH Asia, tenue du 17 au 20 novembre à Brisbane, Australie. SIGGRAPH Asie, maintenant dans sa 12e année, attire les personnes techniques et créatives les plus respectées du monde entier en infographie, animation, interactivité, jeu, et les technologies émergentes.

Unique à ce travail est la modélisation précise de la complexité de la dynamique fluide-brin. Imaginez par exemple un bol de spaghettis, et en essayant d'animer la quantité de sauce qui s'accroche à divers brins de pâtes lorsqu'elle est tournée et retirée d'un bol avec une fourchette. Pour simuler un tel scénario, la méthode des chercheurs tient compte de l'interaction fluide-brin qui se produit à de nombreuses échelles, à la fois à petite échelle pour les brins minces et leurs écoulements de surface et à grande échelle pour le fluide en vrac.

"La nature multi-échelle de ce problème pose un défi majeur, " dit Yun (Raymond) Fei, auteur principal du travail qui a récemment terminé son doctorat. en informatique à Columbia. « Cela exige que notre modèle de simulation gère à la fois un gros volume de fluides en mouvement et le petit, les mouvements détaillés des brins et leurs écoulements de surface."

Les collaborateurs de Fei comprennent les coauteurs Christopher Batty de l'Université de Waterloo-Canada et de Columbia Engineering, Eitan Grinspun et Changxi Zheng.

Développant des travaux antérieurs sur l'animation des cheveux mouillés, ce nouveau cadre de calcul tient compte du changement de volume du liquide lors de son passage à travers les brins et de l'échange de quantité de mouvement entre les brins et le liquide. Leur cadre tient également compte de la cohésion entre les brins et de la façon dont les mouvements fluides affectent le mouvement des brins et vice versa. Le cadre se compose de trois éléments :un modèle qui simule le fluide s'écoulant à la surface des torons, un modèle qui simule le mouvement de mèches de cheveux individuelles et leurs collisions (par exemple le bol de spaghetti et de sauce), et un modèle qui simule un fluide en vrac se déplaçant comme un continuum, comme l'eau qui coule d'un robinet.

"Notre algorithme rassemble de multiples modèles physiques à petite et grande échelle, et permet à la simulation de capturer des données très complexes, des phénomènes riches et multi-physiques dans les interactions fluide-brin, " dit Zheng, professeur agrégé d'informatique à Columbia.

Les chercheurs ont démontré leur méthode sur une large gamme de matériaux et un certain nombre d'exemples, y compris des scénarios difficiles impliquant des éclaboussures, tremblement, et agiter le liquide qui fait que les brins se collent et s'emmêlent. Par exemple, pour illustrer le comportement cohésif et frictionnel des cheveux mouillés, la méthode a été utilisée pour simuler de manière réaliste une boule couverte de poils se soulevant d'une flaque de boue et tremblant. Lorsque le mouvement s'arrête, les poils collent et s'emmêlent comme prévu. Une démonstration vidéo de la nouvelle méthode peut être visionnée ici.

"Il existe une multitude d'exemples de brins fluides dans le monde physique que nous avons été inspirés à imiter dans le monde virtuel, " dit Grinspun, qui a mené la recherche alors qu'il était professeur agrégé à Columbia Engineering; Grinspun est maintenant professeur d'informatique à l'Université de Toronto. "Ce que nous avons pu réaliser et prêter aux artistes et aux utilisateurs, c'est une précision, technique multi-échelle pour tenir compte des couches de mathématiques et de physique sophistiquées derrière cette dynamique complexe. »

La méthode de l'équipe s'applique immédiatement à la création d'effets spéciaux dans l'industrie cinématographique. Les travaux antérieurs de ces collaborateurs ont été utilisés par de grandes maisons d'effets visuels telles que WETA Digital, et dans des longs métrages dont Moana et Jungle Book. Dans les travaux futurs, les chercheurs envisagent que cette méthode puisse être appliquée pour prédire comment les objets se déplacent et se forment dans la production de produits cosmétiques ou dans la conception robotique.