Leistungsfähige Animation für visuelle Kunst

Die Bewegung von komplexen verformbaren Objekten, die aus einer großen Anzahl von unregelmäßig geformten Körpern bestehen, kann jetzt dank einer neuen Technik, die von Informatikern des Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) entwickelt wurde, einfacher animiert werden. Die Studie wird in der Fachzeitschrift Computer Graphics Forum im Rahmen der Jahreskonferenz 2020 Eurographics veröffentlicht.

In der Welt der Computeranimation ist Effizienz der entscheidende Faktor. Ein Problem, mit dem viele visuelle Künstler und Animatoren konfrontiert sind, ist die Fähigkeit, komplexe Materialien zu animieren, die sich biegen können und sowohl plastische als auch elastische Eigenschaften aufweisen, wenn sie physikalischer Belastung ausgesetzt sind. Diese Materialien sind als elastoplastische Materialien bekannt. Nun haben Wissenschaftler aus der Gruppe von Professor Chris Wojtan am IST Austria gezeigt, dass die Simulation von elastoplastischen Materialien durch die Anwendung einer spezialisierten Technik effizienter gestaltet werden kann. Die Forschung könnte wichtige Auswirkungen auf visuelle Künstler, Animatoren und die Computergrafikindustrie haben.

„Mit diesem Projekt wollten wir ein Werkzeug für Künstler schaffen, mit dem sie eine Vielzahl von elastoplastischen Phänomenen effizient verwenden können, wie z.B. faserige Materialien – zersplittertes Holz und zerkleinerte Heuballen – oder körniges Material, das aus einer großen Anzahl unregelmäßig geformter Körper besteht, wie z.B. Tresore voller Geld oder Haufen von Zweigen“, sagt Camille Schreck, Hauptautorin der Studie.

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Simulationen über verschiedene Szenarien. © Wojtan Gruppe / IST Austria

Einheitlicher Ansatz

Bei der Entwicklung ihrer Methode betrachtete die Gruppe bereits etablierte Techniken zur Modellierung von elastoplastischen Materialien, die ein isotropes Verhalten aufweisen (d.h. Materialien, die in allen Richtungen das gleiche physikalische Verhalten zeigen). Diese Techniken wendeten sie dann auf komplexere Materialien an, die ein anisotropes Verhalten aufweisen (d.h. Materialien, die in verschiedenen Richtungen ein ungleichmäßiges physikalisches Verhalten zeigen). Durch die Wiederverwendung und den Austausch verschiedener isotroper Modelle und deren Anwendung in verschiedenen Szenarien konnte die Gruppe eine effektive Simulationsmethode für anisotropes elastoplastisches Materialverhalten unter Verwendung zuvor etablierter und effizienter isotroper Techniken demonstrieren.

„Während aktuelle Forschungsliteratur voll von etablierten Methoden ist, die effektiv isotropes elastoplastisches Materialverhalten simulieren, ist unsere Methode das erste Mal in der Computeranimation, dass anisotrope elastoplastische Materialien durch die Wiederverwendung isotroper Modelle animiert wurden“, sagt der Gruppenleiter und Hauptautor Chris Wojtan.

Camille Schreck fügt hinzu: „Visuelle Künstler und Animatoren sind normalerweise schlecht ausgerüstet, wenn sie diese Art von Materialien animieren. Es wird spannend zu sehen, wo diese Forschung in Zukunft eingesetzt wird“.

Über die Wojtan Gruppe am IST Austria

Computersimulationen natürlicher Phänomene sind unerlässlich für moderne wissenschaftliche Entdeckungen, moderne Technik und die digitale Kunst. Die Wojtan Gruppe nutzt Techniken aus der Physik, Geometrie und Computerwissenschaften, um effiziente Simulationen und detaillierte Computeranimationen zu erzeugen.

Natürliche Phänomene, wie fließende Flüssigkeiten oder zerbrechende Feststoffe, sind sowohl schön chaotisch als auch überwältigend komplex. Diese Komplexität macht es extrem schwierig, solche Phänomene ohne die Hilfe eines Supercomputers zu berechnen. Die Wojtan Gruppe überwindet diese Komplexität indem sie die Bewegungsgesetze aus der Physik, geometrische Theorien aus der Mathematik und algorithmische Optimierung aus der Computerwissenschaft kombiniert. So berechnet sie hoch komplexe natürliche Phänomene auf Heimcomputer-Hardware. Ihre Forschung erreicht einige der schnellsten und detailliertesten Simulationen durch ein tiefes Verständnis der zugrundeliegenden mathematischen Modelle und der Erfindung neuer Berechnungstechniken.

Förderinformationen

Dieses Projekt wurde von IST Austria und mit Mitteln des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizont 2020 der Europäischen Union unter der Förderungsnummer 638176 unterstützt.

Publikation

Schreck, Camille and Wojtan, Chris. 2020. A Practical Method for Animating Anisotropic Elastoplastic Materials. Computer Graphics Forum – Eurographics 2020. DOI: 10.1111/cgf.13914