Shallow waters simulation

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Castro, Carlos Peixoto Antunes de
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1822/83518
Resumo: Dissertação de mestrado integrado em Informatics Engineering
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spelling Shallow waters simulationShallow water equationsFluid simulationCausticsReal timeHeightfieldEquações de águas pouco profundasSimulação de fluídosCáusticasTempo realCampo de alturasEngenharia e Tecnologia::Engenharia Eletrotécnica, Eletrónica e InformáticaDissertação de mestrado integrado em Informatics EngineeringRealistic simulation and rendering of water in real-time is a challenge within the field of computer graphics, as it is very computationally demanding. A common simulation approach is to reduce the problem from 3D to 2D by treating the water surface as a 2D heightfield. When simulating 2D fluids, the Shallow Water Equations (SWE) are often employed, which work under the assumption that the water’s horizontal scale is much greater than it’s vertical scale. There are several methods that have been developed or adapted to model the SWE, each with its own advantages and disadvantages. A common solution is to use grid-based methods where there is the classic approach of solving the equations in a grid, but also the Lattice-Boltzmann Method (LBM) which originated from the field of statistical physics. Particle based methods have also been used for modeling the SWE, namely as a variation of the popular Smoothed-Particle Hydrodynamics (SPH) method. This thesis presents an implementation for real-time simulation and rendering of a heightfield surface water volume. The water’s behavior is modeled by a grid-based SWE scheme with an efficient single kernel compute shader implementation. When it comes to visualizing the water volume created by the simulation, there are a variety of effects that can contribute to its realism and provide visual cues for its motion. In particular, When considering shallow water, there are certain features that can be highlighted, such as the refraction of the ground below and corresponding light attenuation, and the caustics patterns projected on it. Using the state produced by the simulation, a water surface mesh is rendered, where set of visual effects are explored. First, the water’s color is defined as a combination of reflected and transmitted light, while using a Cook- Torrance Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF) to describe the Sun’s reflection. These results are then enhanced by data from a separate pass which provides caustics patterns and improved attenuation computations. Lastly, small-scale details are added to the surface by applying a normal map generated using noise. As part of the work, a thorough evaluation of the developed application is performed, providing a showcase of the results, insight into some of the parameters and options, and performance benchmarks.Simulação e renderização realista de água em tempo real é um desafio dentro do campo de computação gráfica, visto que é muito computacionalmente exigente. Uma abordagem comum de simulação é de reduzir o problema de 3D para 2D ao tratar a superfície da água como um campo de alturas 2D. Ao simular fluidos em 2D, é frequente usar as equações de águas rasas, que funcionam sobre o pressuposto de que a escala horizontal da água é muito maior que a sua escala vertical. Há vários métodos que foram desenvolvidos ou adaptados para modelar as equações de águas rasas, cada uma com as suas vantagens e desvantagens. Uma solução comum é utilizar métodos baseados em grelhas onde existe a abordagem clássica de resolver as equações numa grelha, mas também existe o método de Lattice Boltzmann que originou do campo de física estatística. Métodos baseados em partículas também já foram usados para modelar as equações de águas rasas, nomeadamente como uma variação do popular método de SPH. Esta tese apresenta uma implementação para simulação e renderização em tempo real de um volume de água com uma superfície de campo de alturas. O comportamento da água é modelado por um esquema de equações de águas rasas baseado na grelha com uma implementação eficiente de um único kernel de compute shader. No que toca a visualizar o volume de água criado pela simulação, existe uma variedade de efeitos que podem contribuir para o seu realismo e fornecer dicas visuais sobre o seu movimento. Ao considerar águas rasas, existem certas características que podem ser destacadas, como a refração do terreno por baixo e correspondente atenuação da luz, e padrões de cáusticas projetados nele. Usando o estado produzido pela simulação, uma malha da superfície da água é renderizada, onde um conjunto de efeitos visuais são explorados. Em primeiro lugar, a cor da água é definida como uma combinação de luz refletida e transmitida, sendo que uma BRDF de Cook-Torrance é usada para descrever a reflexão do Sol. Estes resultados são depois complementados com dados gerados num passo separado que fornece padrões de cáusticas e melhora as computações de atenuação. Por fim, detalhes de pequena escala são adicionados à superfície ao aplicar um mapa de normais gerado com ruído. Como parte do trabalho desenvolvido, é feita uma avaliação detalhada da aplicação desenvolvida, onde é apresentada uma demonstração dos resultados, comentários sobre alguns dos parâmetros e opções, e referências de desempenho.Fernandes, António RamiresUniversidade do MinhoCastro, Carlos Peixoto Antunes de20222022-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/1822/83518eng203244290info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-07-21T12:16:13Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/83518Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T19:08:44.301453Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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