Fluid simulation on the GPU with complex obstacles using the Lattice Boltzmann method

Abstract

Die Echtzeit-Computergrafik und -Simulation haben sich zu einem Niveau entwickelt, das vor wenigen Jahrzehnten noch als undenkbar galt.<br />Ungeachtet dessen stecken Flüssigkeitssimulationen für interaktive Anwendungen immer noch in den Kinderschuhen. Die progressive Weiterentwicklung der Graphikkartenprozessoren hat in letzter Zeit dazu geführt, dass Forscher die Karten als Stream-Koprozessoren behandeln können. Diese Klasse von Prozessoren wurde entwickelt, um parallelisierbare Algorithmen mit wenigen Sprungbefehlen zu verarbeiten.<br />Die Laufzeit von Algorithmen, die diese Eigenschaften besitzen, kann auf einen Bruchteil der auf herkömmlichen Prozessoren benötigten verkürzt werden. Da rasterbasierte Flüssigkeitssimulation perfekt in dieses Schema passt, ist es zu einem sehr aktiven Forschungsgebiet geworden. Es werden einige Ansätze präsentiert werden, um eine gute Algorithmen-Kombination zu finden, die einfach parallelisiert werden kann und gleichzeitig Objekte mit komplexen Oberflächen erlauben.<br />Zusätzlich wird die Verwendung von Flüssigkeitssimulationen in Computerspielen betrachtet. Ein Unterwasser-Flipper wird als praktisches Beispiel vorgestellt, um die Überlegungen hervorzuheben, die notwendig sind, um eine solche früher nicht verwendbare Simulation effektiv einzusetzen.<br />

Real-time computer graphics and simulation has advanced to a level of realism that was regarded as unthinkable a few decades ago.<br />However, fluid simulations are still in an infant state for applications that require interactivity. Recent developments in programmability of graphics processing units on current graphics cards have enabled researchers to treat these cards as stream co-processors. This class of processors are designed for parallelizable algorithms that do not make heavy use of branching. Algorithms having these properties can be accelerated significantly compared to implementations on current central processing units. Since grid-based fluid simulations fit perfectly into this scheme, this has become a hot topic in research. Various approaches will be presented in order to determine a combination of algorithms that can easily be parallelized and allow integrating rigid objects with complex boundaries into a fluid simulation at interactive rates.<br />Additionally, the usage of fluid simulations in computer games will be discussed. An underwater pinball game will be introduced as a practical example, highlighting the considerations that have to be taken into account when adding this game element that was previously impossible to use.