Fraktale Wolken, virtuelle Flammen

In den letzten Jahren gab es in der Computergaphik viele Bemühungen, den realitätsnahen Eindruck von computergenerierten Bildern zu steigern. Der Bedarf nach realitätsnaher Graphik wird durch viele Beispiele aus Bereichen des täglichen Lebens wie Kino, Fernsehen, Unterhaltungselektronik, Werbung und Präsentationsfilme, künstlerische und kreative Applikationen, wissenschaftliche Simulation und Visualisierung etc. verdeutlicht. Primär werden die o.g. Anforderungen an eine Steigerung des naturalistischen Aussehens von Anwendungen gestellt, die im Bereich der Animation und Simulation anzusiedeln sind: Im Idealfall soll dem Beobachter oder dem Benutzer des Systems der Eindruck vermittelt werden, daß das Bild, welches ihm präsentiert wird, von der reellen Welt abphotographiert wurde; anders gesagt, soll z.B. der Benutzer eines Fahrsimulators den Eindruck haben, daß er ein „echtes“ Auto durch eine „echte“ Landschaft fährt, d.h., daß er mit der „reellen“ Welt kommuniziert. Parallel zu der Realitätssteigerung sollten die zu diesem Zweck eingesetzten Algorithmen und Techniken effektiv und mit möglichst geringem Aufwand realisierbar sein, um sowohl den Umfang als auch den Preis des betreffenden Systems niedrig zu halten. Deshalb kann man in diesem Bereich der Computergraphik von zwei Tendenzen sprechen: Steigerung der Leistung bei gleichzeitiger Reduzierung des Aufwandes und des Preises.

Der Begriff der Textur wurde in den letzten Jahren von verschiedenen Disziplinen erforscht. Im allgemeinen werden durch das Wort „Textur“ alle Eigenschaften einer.Oberfläche bezeichnet, die die optische Erscheinung von z.B. Stein-, Sand- und Marmor- oder Textiloberflächen charakterisieren. Im Rahmen der generativen Computergraphik wird Textur eingesetzt, um die optische Komplexität von Oberflächen zu erhöhen, ohne alle Details einzeln zu modellieren. Man kann sogar sagen, daß realitätsnahe Graphik nur mit Hilfe von Texturen möglich ist.

Das erste Problem bei der Definition einer Wolkentextur liegt in der Auswahl einer geeigneten Modellierungsmethode. Wolken und andere natürliche Phänomene und Objekte gehören nicht zu den üblichen Modellen, die z.B. im CAD-Bereich, in der Architektur, im Design etc. anfallen. Die Modellierung solcher Objekte hat sich für lange Zeit als extrem schwierig, zeitraubend, aufwendig und unrealistisch erwiesen; dementsprechend schlecht war das Ergebnis dieser aufwendigen Modellierung.

Die Erfassung und Beschreibung turbulenter Bewegung ist eine der schwierigsten Herausforderungen für die heutige Wissenschaft und hat manche der bekanntesten Forscher dieses Jahrhunderts beschäftigt, ohne jedoch bis heute allgemein zufriedenstellend gelöst zu sein. Im Rahmen dieses Abschnitts werden nur die Teile der Turbulenztheorie zusammengefaßt, die für die Motivation und das Verständnis der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Methoden erforderlich sind.

Der Begriff des Volumenobjektes ist verhältnismäßig neu in der Graphischen Datenverarbeitung. So wird in [Levo90d] und [SaKe91] als Volumenobjekt ein Objekt definiert, das aus einer geschlossenen 2D Oberfläche und einer dieser Oberfläche zugeordneten 3D Textur (Volumentextur) besteht. Diese 2D Oberfläche wird Hülle genannt und umreißt die Lage und die Ausdehnung des Volumenobjektes im 3D Raum, wobei die Textur die räumliche Verteilung der dem Volumenobjekt zugeordneten Größe (z.B. Materialdichte) angibt.

Man kann Rechnersysteme mit mehreren Prozessoren nach der Anzahl der während einer Rechnung existierenden Befehls- und Datenströme klassifizieren:

Das Ziel dieser Arbeit war es, Methoden zu entwickeln, welche den Einsatz von Effekten turbulenter Strömung von Gasen im Rahmen der rechnergenerierten Animation und Sicht simulation ermöglichen. Die zwei Anforderungen, die aufgrund dessen an die zu entwickelten Algorithmen gestellt wurden, waren: