Научно-достоверный снег

В 2013 году команда Walt Disney Animation Studios работала над необычной задачей. Для «Холодного сердца» снег должен был выглядеть убедительно в разных ситуациях: героиня проваливается в сугробы, снежки разбиваются о стены, лавины обрушиваются со склонов. Существующие методы компьютерной графики не подходили: жидкости выглядели слишком текучими, твердые тела — слишком жесткими, а частицы не держали объем.

Команда Disney в составе Алексея Стомахина, Крейга Шрёдера, Лоуренса Чая, Джозефа Терана (математики из UCLA) и Эндрю Селле создала решение на основе Material Point Method (MPM) - гибридного подхода, сочетающего частицы и сетку. Ключевой стала эласто-пластическая модель: снег может упруго деформироваться, но при сильном воздействии необратимо меняет форму и разрушается на куски.

Симулятор назвали «Matterhorn» (в честь знаменитой горы), и его использовали примерно в 43 сценах фильма. Технология была представлена на конференции SIGGRAPH 2013 в научной статье “A Material Point Method for Snow Simulation”.

В 2018 году модель Disney заинтересовала ученых, изучающих лавины. Исследователи из Швейцарского федерального технологического института адаптировали её для предсказания поведения снежных масс в горах. Оказалось, что модель работает и для настоящего снега.

А в 2020 году эстафету подхватила немецкая компания FIFTY2 Technology GmbH из Фрайбурга. Их команда разработчиков программного обеспечения PreonLab занималась симуляцией жидкостей для автомобильной промышленности. Возник вопрос: можно ли адаптировать модель снега Disney для инженерных расчетов?

Кристоф Гисслер, Андреас Хенне, Штефан Банд, Андреас Пеер и Маттиас Тешнер из FIFTY2 переработали идеи Disney для метода Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) - подхода, более подходящего для инженерных задач.

В июле 2020 года на SIGGRAPH (той же конференции, где Disney представляла свою работу семью годами ранее) команда FIFTY2 опубликовала статью “An Implicit Compressible SPH Solver for Snow Simulation”. В списке литературы - прямая ссылка на оригинальную работу Стомахина и коллег. Технология из анимационного фильма официально стала инженерным инструментом.

Ключевые публикации:

• Stomakhin, A., Schroeder, C., Chai, L., Teran, J., & Selle, A. (2013) “A Material Point Method for Snow Simulation” ACM SIGGRAPH 2013 https://dl.acm.org/doi/10.1145/2461912.2461948
• Gissler, C., Henne, A., Band, S., Peer, A., & Teschner, M. (2020) “An Implicit Compressible SPH Solver for Snow Simulation” ACM SIGGRAPH 2020 https://dl.acm.org/doi/abs/10.1145/3386569.3392431

A material point method for snow simulation | ACM Transactions on Graphics https://dl.acm.org/doi/abs/10.1145/3386569.3392431