Anschlussprojekte | Sonderprojekte

Förderbeginn 01.01.2014

High-level Optimierungen von Numerischen Stroemungssimulationen

Prof. Dr. Nils Thuerey
Technische Universität München
Lehrstuhl für Informatik 15 - Computer Graphik und Visualisierung

Prof. Brian A. Barsky
University of California, Berkeley
EECS - Electrical Engineering and Computer Science


Die Computer-Grafik Branche hat in den letzten Jahren physikalische Simulationen als wichtiges Hilfsmittel erkannt. Simulationen haben offensichtliche Vorteile gegenüber realen Effekten: sie sind günstiger, erlauben große Variationen, und sind deutlich weniger gefährlich für alle Beteiligten. Trotzdem ist gerade die Möglichkeit diese virtuellen Effekte bis ins kleinste Detail zu kontrollieren ein wichtiger Grund für ihren Einsatz. Leider ist es mit aktuellsten Techniken sehr schwierig komplexe Effekte wie eine Explosion wirklich in die gewünschten Bahnen zu lenken. In diesem Forschungsprojekt werden wir an neuen Techniken für High-level-Optimierungen dieser Simulationen arbeiten. Als Ergebnis erwarten wir dabei nicht nur neue numerische Verfahren zur Berechnung von Fluiden, sondern auch Technologien die für den praktischen Einsatz höchst interessant sind.

Abschlussbericht
High-level Optimierungen von Numerischen Strömungssimulationen Zusammenfassung: Die Computer-Grafik Branche hat in den letzten Jahren physikalische Simulationen als wichtiges Hilfmittel erkannt. Simulationen haben offensichtliche Vorteile gegenüber realen Effekten: sie sind günstiger, erlauben grosse Variationen, und sind gleichzeitig deutlich weniger gefährlich für alle Beteiligten. Gerade die Möglichkeit diese virtuellen Effekte bis ins kleinste Detail zu kontrollieren ist ein wichtiger Grund für ihren Einsatz. Leider ist es mit aktuellsten Techniken sehr schwierig komplexe Effekte wie eine Explosion wirklich in die gewünschten Bahnen zu lenken. Ein Schwerpunkt dieses Forschungsprojekts waren daher neuen Techniken für high-level Optimierungen dieser Simulationen. Im Rahmen der BaCaTec Förderung wurden verschiedene Besuche der beteiligten Wissenschaftler möglich. Im Jahre 2014 konnte Prof. Brian Barsky die TU Muenchen besuchen, wodurch eine Vielzahl direkter Gespräche geführt werden konnte. Prof. Barsky hielt des weiteren einen Vortrag vor größerem Publikum über neue Entwicklungen im Bereich der Computational Photography. Im Jahre 2014 konnte auch ein Besuch von Dr. T. Pfaff finanziert werden. Herr Pfaff ist einer der Haupt-Entwickler des Open-Source Projekts mantaflow, das in der Arbeitsgruppe Games Engineering an der TU Muenchen in vielen Projekten eingesetzt wird. Durch Diskussionen und intensive Entwicklung Sprints während des Besuchs konnte die Entwicklung des mantaflow Codes signifikant vorwärts gebracht werden. Im Jahr 2015 wurde ein Kalifornien-Aufenthalt von Prof. N. Thuerey durch die BaCaTec Förderung möglich gemacht. Bei diesem wurden weitere Besprechungen, und Entwicklungstreffen abgehalten, die im Oktober 2015 zur Veröffentlichung von Programmversion v0.8 der mantaflow Programmpakets führten. Die Abbildungen der PDF Version dieses Berichts zeigen ein Beispiel einer komplexen Simulation, die mit der aktuellen Programmversion durchgeführt wurde. Auf der linken Seite ist eine Ausgangssimulation mit eine Auflösung von 100x150x100 Zellen. Die Version auf der rechten Seite wurde mithilfe des Wavelet Turbulence Ansatzes mit eine effektiven Auflösung von 400x600x400 Zellen berechnet. Es wird deutlich, dass die linke Version einen deutlichen Zugewinn an feinen Strukturen und Details verzeichnen kann. Ein weiteres unmittelbares Ergebnis der durch dieses BaCaTec Projekt ermöglichten Gespräche ist eine Publikation im Journal “Computer Graphics Forum”, die momentan noch unter Revision ist. Wir erwarten, dass dieses Paper jedoch bald final akzeptiert wird, und veröffentlich werden kann. Das Thema dieser Arbeit sind die oben erwähnten Steuerungen von Fluid Simulationen. In dieser Arbeit haben wir für dieses Ziel einen neuen Ansatz basierend auf konvexen Optimierungstechniken vorgestellt. Hierbei wird das physikalische Modell, die Naiver-Stokes Gleichungen, abwechselnd mit einer separat formulierten Constraint-Funktion gelöst. Bei unserem Ansatz kam die sogenannte Primal-Dual Methode von Chambolle & Pock (2011) zum Einsatz. Ein besonderer Vorteil dieses Ansatzes ist, dass bestehende Bausteine eines einfach Naiver-Stokes Solver wiederverwendet werden können. In unserem Fall haben wir die Implementierung mithilfe der mantaflow Funktionen realisieren koennen. Wir konnten zeigen, dass dieser Ansatz das formulierte Minimierungsproblem wie gewünscht löst, und in der Praxis zu signifikanten Geschwindigkeitsgewinnen im Vergleich zu bestehenden Methoden führt.