Napredna 3D računalniška grafika in vizualizacije

Helena Gabrijelčič Tomc(UL, NTF, Oddelek za tekstilstvo, grafiko in oblikovanje)

2. stopnja, magistrskega študija GIK

Dinamične simulacije togih in mehkih teles

Silehttp://prlombardi.com/portfolio/illustrations.html

Lastnosti sil: • točkovne sile ali radialne sile• linearne sile• konične – stožčaste sile• posebne sile

Učinek sil: • lokalni• globalni• določeni na objekte (trenje, privlačna in odbojna sila ipd.)

Sile

• gravitacija (privlak med objekti, 9,8 m/s2) • rotacijske sile: centrifugalna, (centripetalna)• veter, ventilator• razburkanost (turbulenca): jakost, šum, pojemanje• deformacijske sile (motnje, funkcije)• sile po poti• eksplozije• sile za sistem partiklov

• neprimerljivost parametrov sil med različnimi programi

Vrste sil

• veterGravitacija

• realni čas• skripta delovanja sile:gravitacija na izhodiščni objekt,

vektorji usmerjeni v veliko kroglo, razdalja kot faktor voliva na silo gravitacije

(masa*1/razdalja)*vektor

BlenderGameEngine

http://www.youtube.com/watch?v=IX3Os4Ngql8

• veter

veter

partikli

Veter

http://www.youtube.com/watch?v=g6mkKYRkvMM

• sile po poti, gravitacija

pot

gravitacija

sila po poti

Sile po poti (gravitacija)

https://www.youtube.com/watch?v=bxLRoOvI9WI

Turbulance

• eksplozijaEksplozije

http://vimeo.com/17564435

Dinamika togih (trdih) teles

Trki, kolizija (Collision)Kinematika trdnih teles

• dinamika je veja mehanike, ki se ukvarja z gibanjem teles, ki so v določeni akciji zaradi delovanja sil

• Newtonova dinamika, makroskopski nivo (študij gibanja teles, pri katerih je hitrost bistveno manjša od hitrosti svetlobe)

• relativistična dinamika, mikroskopski oz. submikroskopski nivo: gibanje teles, katerih hitrost je blizu svetlobni ali se gibljejo s svetlobno hitrostjo

Trki, kolizija (Collision)Newtonova dinamika

• KINEMATIKA: študij geometrije v gibanju, opisuje gibanje teles brez reference s silami, ki povzročajo gibanje oz. so generirane kot rezultat gibanja (lega, hitrost, pospešek brez reference vzroka gibanja)

• KINETIKA: je študij relacij med silami, ki delujejo na telo, porazdelitev mase telesa ter gibanjem telesa

prostor čas masa Gravitacija (Newton)

Newtonovi zakoni

https://www.youtube.com/watch?v=NYVMlmL0BPQ

Newtonova dinamika

Trki, kolizija (Collision)

• spremembe togega telesa so minimalne v primerjavi z dimenzijami telesa ali spremembo lege telesa

• ni odboja oz. je slednji minimalen• majhna, neopazna deformacija objektov (kovinski objekt, kamen) • priporočljivo opazovanje trka na realnih objektih (!)

Dinamika togih in trdnih teles

togo vs. mehko

Dinamika trdnih teles

masa, teža (mass, weight)prostornina in gostota (volume; density)fleksibilnost, elastičnost (fleksibility, elasticity)trenje in hrapavost (friction, roughness)

• lastnosti togih teles

Dinamika togih teles – simulacijski krog

simulacijski krog togih teles

• pospešek na določeni poti/ času sprememba hitrosti in lege/časovni interval

• delovanje sile pospešek objekta z določeno maso

Dinamika trdnih teles

sila=masapospešek

Ko se objekti gibljejo relativno drug na drugega se rešuje izzive:

1. detekcija morebitne kolizije

je striktno kinematični problem, saj se ukvarja z lokacijo in orientacijo objektov ter kako se ti parametri

spreminjajo s časom

2. računanje ustrezne reakcije na kolizijo

je dinamični problem, saj se sile, kot rezultat kolizije, preračunavajo in uporabijo za produkcijo novega

gibanja za vključene objekte

Kolizija trdnih teles

kinematična rešitev za reakcijo kolizije(preprečuje se penetracija v drugi objekt,ni fizikalno točno vendar zadostuje za vizualizacije)

Kolizija trdnih teles

http://www.youtube.com/watch?v=G-Y6k9yyxjo http://www.youtube.com/watch?v=icRRP9uZhPA

Kolizija trdnih teles

FrikcijaFrikcija

• sila upora lateralnemu relativnemu gibanju dveh trdnih objektov, ki sta v kontaktu

Delimo na 1. statično frikcijo, med površinama, ki se ne gibljeta2. kinetično frikcijo, med površinama, ki se gibljeta

horizontalna in vertikalna komponenta frikcijske sile

https://www.youtube.com/watch?v=6gN9DQT4p70

Frikcija

• način gibanja• predmet kolizije – trka• frikcija žog na tleh• odboj (deformacija)• sila odboja (deflektor) žog glede na tla• partikli: rojstvo (birth), dolžina življenja (life value)

Kolizija trdnih teles: kolizija + frikcija

kolizija (objekt odboja)

objekti

emiter

deflektor

https://www.youtube.com/watch?v=j4mxXu1Vz7w

Simulacije deformabilnih (mehkih) teles

Dinamika mehkih teles

fleksibilnost, elastičnost (fleksibility, elasticity)neenakomernost deformacij

• lastnosti

• neenakomerno učinkovanje fizikalnih zakonitosti (sil) na različne točke telesa

• neenakomerno gibanje posameznih točk telesa deformacija

Dinamika mehkih teles

togo vs. mehko

Dinamika mehkih teles

• mehka telesa so deformabilna telesa

• oblika telesa se spreminja pri delovanju sil oz. gibanju (pri togih telesih se ne): relativna razdalja med dvema točkama ni fiksna temveč se spreminja; vsekakor pa telo zadržuje vsaj nekaj lastnosti svoje prvotne oblike do določene mere (v primerjavi s tekočinami, kjer gre za popolno izgubo prvotne oblike)

• absorbcija sile trka z deformacijo (nastavitev elastičnosti - Flexbile lattice)

• možnost nastavitve povratne deformacije (elastična deformacija)

• področja: mehka organska telesa (žoge, želeji, mišice, lasje, vegetacija, tekstil)

• metode računalniške grafike vključujejo veliko poenostavitev in so znanstveno oz. inženirsko manj točne

Modeli simuliranja mehkih teles

• metoda minimalne energije (Energy minimization methods): uporabljeni so variacijski principi in fizika površin, ki diktirajo, da bo določena površina zavzela obliko, ki minimalizira celotno energijo deformacij (analogno kot milni mehurček)

metoda vzmetne mase metoda minimalne energije

• metoda vzmetne mase (spring/mass model): telo je modellirano kot nabor točk z določeno maso (vozlišča), ki so povezana z idealno elastično vzetjo brez teže (Hook-ov zakon)

• metoda končnih elementov (Finite element simulation): je fizikalno eksaktna, uporablja metodo končnih elementov za reševanje delnih parcialnih enačb, ki vladajo v dinamiki elastičnih materialov

Modeli simuliranja mehkih teles

• metoda, ki temelji na togih telesih (Rigid-body based deformation): deformacije se upravljajo s pomočjo fizike togih teles, tako da se mreži več togih teles skupaj z določenimi omejitvami gibanja ali matrico kože za generiranje upodabljanje površine mreže

• metoda ujemanja oblike (Shape matching): omejtve in prisile so uporabljene v modelu z namenom ohranjanja njegove originalne oblike (t.j. material se obnaša, kot bi imel spomin oblike)

https://www.youtube.com/watch?v=y_2cAuDEny0

http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&NR=1&v=IWkooa97Ns0http://www.youtube.com/watch?v=Nd_drLGIw80

Cinema 4D, Soft Body Clothide Soft body, collision, HDRi, Blender 2.62.

• kombinacija z IK

Tekstil in oblačila

Tekstil• izjemna deformacija pri trku s togim objektom• velika ločljivost tekstila• ni odboja, deformacija po obliki kolizijskega objekta (Bend)• lastnosti: material, frikcija, debelina, gostota, elastičnost, upogib• objekt kolizije: lastnosti togega, trdnega objekta • primerljivost parametrov s fizikalnimi

Tekstil

Tekstil

http://steffe.se/wp-content/uploads/2011/08/osten.png

http://courses.cs.washington.edu/courses/cse557/00wi/artifacts/final/grossman_will/ourmodel.html

Metoda vzmetne mase

http://davis.wpi.edu/~matt/courses/cloth/physical.html

• 2D mreža

Energijske funkcije

http://www.intechopen.com/books/advances-in-modern-woven-fabrics-technology/mechanical-analysis-of-woven-fabrics-the-state-of-the-art

Metoda končnih elementov

https://www.youtube.com/watch?v=7opGFD7aKHk

Metoda končnih elementov

Test kolizije

https://www.youtube.com/watch?v=N-zxCE4W-r8

Kolizijski test

• zelo kompleksni izračuni

• uporaba objemajočih kock ter hierarhije

• na podlagi premika objemajočih kock se posledično premaknejo tudi oglišča tekstila

https://www.researchgate.net/publication/280561645_Collision_Detection_between_Cloth_and_a_Solid_Object_using_Mass_Spring_Model_and_Bounding_Volume_Hierarchy

Kolizijski test

• geometrijski element ali le dodana spremenljivka (Modifier)• ločljivost

ploski kroj – referenčne točke (šivi, odprtine) – povezovanje točk

Digitalno šivanje

Digitalno šivanje

Specializirani programi za vizualizacije tekstila in oblačil: OptiTexSpecializirani programi (Optitex)

https://www.youtube.com/watch?v=owUAq5wcr2g

Teskture za tekstil

alfa

barre (vezava)

barre, normal

spekularna mapa

Vizualizacije tekstila

Vizualizacije tekstila

https://www.youtube.com/watch?v=nHBwKBMvDRc

Vlakna in lasje

Vlakna

• dinamični parametri: teža, togost• uporaba globalnega koordinatnega sistema (gravitacija)• sile: gravitacija, veter, kolizija (samokolizija)• kolizija (med vlakni, med nosilnim objekto, drugimi objekti)• kolizija v obliki nekega telesa ali določeno s poligoni

• orodja za oblikovanje pričeske

Vlakna in lasje

strukturamodeliranje in funkcija

• dinamični vidik• hierarhija• vpliv niotranjih in zunanji sil• določanje glavnih, vodilnih vlaken

Vlanka in lasje, struktura

Vlakna

Problemi pri animaciji las in vlaken• realistične interakcije las-las, las-telo, las- zrak• dinamika v realnem času

Vlanka in lasje

Fizikalni pristopi • modeli masne vzmeti• modeli dinamičnega kontinuuma• modeli s sistemi delcev• modeli, ki vključujejo NURBS površine

2. geometrične tube (voksel: volumentrični piksel)

• specifike pri shranjevanju in upodabljanju (aktualne težave)

Vlanka in lasje, rešitve

1. teksture

3. sistemi delcev

http://wiki.blender.org/index.php/User:Sascha_Uncia/Doc:2.6/Manual/Physics/Particles/Mode

https://knowledge.autodesk.com/support/3ds-max/learn-explore/caas/CloudHelp/cloudhelp/2015/ENU/3DSMax/files/GUID-4BCFC5E4-266F-43AA-A552-77CC241F9D1E-htm.html

Vlanka in lasje, simulacija

• določanje rasti po krivulji

• glavna vodila vlaknin

• animiranje dlake, trave in las: simulacija delovanja sil

Animacija

Volumetric Methods for Simulation and Rendering of HairLena Petrovic Mark Henne John Anderson

Volumetrični pristopi

Volumetrični pristopi

Volumetric Methods for Simulation and Rendering of HairLena Petrovic Mark Henne John Anderson

• linearna interpolacija pri ključnih vlaknih ni vidna• uporaba Kartezijske prezentacije vokslov tako za osvetljevanje in simulacijo lastnosti vlaken in las• volumetrična reprezentacije las je omogočena z računanjem gostote ključnih vlaken na vsakem oglišču mreže vokslov• ključno vlakno je predstavljeno s B-zlepkom (krivuljo)

Volumetrični pristopi

Houdini

Animacija

https://www.youtube.com/watch?v=8L3wq6d26yIhttps://www.youtube.com/watch?v=ZVI8JBrc-bw

Animiranje lika: 20.12. Ksenija Ozebek