Metodologías para el modelado y renderizado de interfases sólido-líquido en computación gráfica

Abstract

Según el Principio de Arquímedes, un objeto total o parcialmente sumergido es afectado por una fuerza vertical hacia arriba, conocida como fuerza de empuje de magnitud igual al peso del fluido desalojado. Esta descripción simple explica un conjunto variado de efectos que son ubicuos en la naturaleza y están cada vez más presentes en videojuegos, animaciones generadas por computadora y aplicaciones gráficas interactivas en general. Si bien existen soluciones al problema del acoplamiento entre fluidos y sólidos para algunos casos particulares, es necesario el desarrollo de nuevos modelos de flotabilidad precisos y sufi cientemente generales. En esta tesis, se propone un método para computar de manera realista el problema del acoplamiento fluido-a-sólido que es adecuado para un amplio espectro de casos, como objetos rígidos o deformables, sólidos o huecos, permeables o impermeables y con distribución de masa variable. En el caso de objetos permeables que permiten el ingreso de líquido hacia dentro del objeto, el método presentado incorpora la dinámica del fluido en el que el objeto está sumergido y desacopla el cómputo de las magnitudes físicas involucradas en la fuerza de flotabilidad del objeto vacío respecto al líquido contenido dentro de él. Por otro lado, la apariencia visual de ciertos materiales depende de su propiedades intrínsecas de transferencia de luz, de la iluminación presente y de otras contribuciones de ambiente. En particular, esto se produce en el caso de materiales porosos, rugosos o absorbentes donde la presencia de líquido sobre la super cie altera de manera signifi cativa la función de distribución de reflectancia bidireccional (BRDF) que, a su vez, resulta en cambios notables en la apariencia visual. Por esta razón, el renderizado de materiales que alteran su apariencia bajo condiciones de humedad continúa siendo un tópico de relevancia en el área de Computación Gráfi ca. En esta tesis, además, se introduce una nueva técnica para modelar y renderizar los cambios de apariencia de los materiales absorbentes cuando existe líquido en su super cie. En primer lugar, se desarrolló un nuevo método para resolver el problema de la interacción entre un medio líquido y la super cie de un objeto utilizando, para esto, sus coordenadas de textura. Seguidamente, se propuso un algoritmo para modelar los principales procesos físicos que ocurren en la super cie de un objeto sólido húmedo o mojado. Finalmente, se extiende el modelo propuesto por la literatura para explicar el cambio de apariencia de ciertos materiales absorbentes bajo condiciones de humedad y se implementa un algoritmo logrando tiempos aptos para aplicaciones en Tiempo-Real. La solución completa es diseñada teniendo en cuenta la implementación en arquitecturas superescalares y usando aceleración por GPU (Graphics Processing Unit), permitiendo su integración con los pipelines de procesamiento gráfi co actuales.

Following the celebrated Archimedes' Principle, any object wholly or partially immersed in a fluid is subject to an upwards force, known as buoyancy force, equal to the weight of the uid displaced by the object. This simple description is the origin of a set of effects that are ubiquitous in nature, and are becoming commonplace in games, animation, and interactive applications in general. Even though there are solutions to the fluid-to-solid coupling problem in some particular cases, to the best of our knowledge, comprehensive and accurate computational buoyancy models adequate in general contexts are still lacking. We propose a real-time GPU-based algorithm for realistic computation of the fluid-to-solid coupling problem, which is adequate for a wide generality of cases (rigid or deformable objects, solid or hollow, permeable or waterproof, and with variable masses). The method incorporates the dynamics of the fluid on which the object is immersed, and decouples the computation of the physical parameters involved in the buoyancy force of the empty or dry object from the mass of liquid contained inside. The dynamics of this mass of liquid are also computed, in a way such that the relation between the center of mass of the object and the buoyancy force may vary, leading to complex, realistic behaviors such as the one arising with a sinking boat. The visual appearance of materials depends on their intrinsic light transfer properties, the illumination and camera conditions, and on other environmental contributions. In particular, this is the case in porous, rough, or absorbent materials, where the presence of liquid on the surface alters signi cantly their BRDF (bidirectional reflectance function), which in turn results in signi cant changes in their visual appearance. For this reason, rendering materials that change their appearance when wet continues to be a relevant topic in Computer Graphics, especially when real-time photo-realistic rendering is required in scenes involving this kind of materials in interaction with water or other liquids. In this paper we introduce a physically inspired technique to model and render the changes in appearance of absorbent materials when liquid is present on their surface. First, we develop a new method to solve the interaction between the liquid phase and the object surface using the latter's own underlying texture coordinates. Then, we propose an algorithm to model the difusion phenomenon that occurs in the interface between a solid porous object and a translucent liquid. Finally, we extend a model which explains the change of appearance of materials under wet conditions, and we implement it achieving real-time performance. The complete model is developed using GPU (Graphics Processing Unit) acceleration, which can be seamlessly integrated with the usual rendering pipeline in the most popular graphic libraries.