Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Der Weg zur perfekt animierten Rauchwolke

12.03.2015

TUM-Informatiker macht Simulationen realistischer

Simulationen von beeindruckenden Landschaften oder fremdartigen Wesen kennen wir vor allem aus Fantasy- oder Science-Fiction-Filmen. Aber auch in der Medizin und den Ingenieurwissenschaften werden Simulationen immer häufiger eingesetzt.


Fluide zu simulieren ist extrem schwierig.

(Bild: T. Kim, N. Thuerey, M. Gross und D. James)

Der Weg zur perfekten Illusion ist allerdings komplex und zeitaufwendig. Nils Thürey, Professor an der Technischen Universität München (TUM), hat gemeinsam mit seinen Kollegen eine Methode vorgestellt, die diese Berechnungen beschleunigen könnte.

Der Angriff ist ein Höhepunkt im Blockbuster "Avatar": Raketen treffen den Heimatbaum der Nav‘i, der Bewohner von Pandora. Explosionen, Flammen und dicker Rauch sind zu sehen.

Damit diese Bilder die Zuschauer auch wirklich in den Bann ziehen, müssen sie realistisch wirken. Aber gerade Simulationen physikalischer Vorgänge sind schwierig umzusetzen. Zu diesen zählt die Darstellung von Flüssigkeiten und Gasen, die unter dem Begriff Fluide zusammengefasst werden.

Besonders die komplexen, verwirbelten Bewegungen bereiten den Programmierern Schwierigkeiten, erklärt Prof. Nils Thürey von der Fakultät für Informatik der TU München. "Für drei Sekunden einer solchen Szene werden hunderte Simulationen durchgeführt, von denen jede einzelne oft mehr als zehn Stunden Rechenzeit braucht."

Von der Natur abgeguckt

Zeit, die großen Filmproduktionen zur Verfügung steht. Doch bei anderen Anwendungen ist das nicht der Fall. In Computerspielen etwa müssen Simulationen an die Aktionen der Spieler angepasst werden. Dabei werden die Grenzen für eine realitätsnahe, schnelle und flexible Simulation von Fluiden schnell erreicht. Auch in der Medizin und den Ingenieurwissenschaften ist die Schnelligkeit zum Beispiel bei Simulationen von Blut oder Luftwirbeln von großer Bedeutung.

Um den Rechenprozess zu beschleunigen, gehen die Wissenschaftler sozusagen zurück zum Ursprung: Sie analysieren das Verhalten von echten Flüssigkeiten und Gasen. Um aus diesen Beobachtungen Daten zu erhalten, die für die Berechnungen von Simulationen brauchbar sind, waren bisher aufwendige Techniken nötig. Thürey hat in Zusammenarbeit mit internationalen Wissenschaftlern gezeigt, dass es möglich ist, die Daten aus einfachen Videoaufnahmen zu errechnen. Ihre Methode stellten die Forscher im Journal "ACM Transactions on Graphics" (TOG) vor.

Autovervollständigung der Bewegungen

Bei Phänomenen wie Rauchwolken sind die komplizierten Verwirbelungen auf Videobildern kaum oder gar nicht zu erkennen. Um diese Lücken zu füllen, setzten die Wissenschaftler wiederum Simulationen ein. Anhand von Erfahrungswerten und physikalischen Gesetzmäßigkeiten führt das Programm eine Art Autovervollständigung durch. "Diese Fähigkeit besitzt auch unser Gehirn", erklärt Thürey. "So ergeben einzelne Punkte auf dem Papier plötzlich ein Bild, auch wenn diese in der Realität nicht verbunden sind."

Nach diesem Prinzip berechnet die Simulation, wie die Bewegungen wahrscheinlich abgelaufen sind, auch wenn die Daten dies nicht eindeutig zeigen.

Medizinische Diagnosen und spektakuläre Effekte

Die Methode soll nun für verschiedene Anwendungen optimiert werden. So könnten Simulationen des Blutflusses in Verbindung mit der Computertomografie dabei helfen, die Gefährlichkeit eines Aneurysmas zu beurteilen. Auch für die Konstruktion von Tragflächen und anderen aerodynamischen Körpern sind Simulationen von Fluiden nötig. Und natürlich könnten die neuen Programme auch Computerspiele verbessern – und für spektakuläre Explosionen auf dem Bildschirm sorgen.

Bild- und Videomaterial zum Download: http://go.tum.de/869987
Interview mit Prof. Nils Thürey (Youtube): http://youtu.be/cVxmZF2Kazo
Publikation: James Gregson, Ivo Ihrke, Nils Thuerey, Wolfgang Heidreich: From Capture to Simulation – Connecting Forward and Inverse Problems in Fluids, ACM Transactions on Graphics (TOG) DOI: 10.1145/2601097.2601147

Kontakt:
Prof. Dr. Nils Thürey
Technische Universität München
Fakultät für Informatik
Tel: +49 89 289 19484
nils.thuerey@tum.de

Die Technische Universität München (TUM) ist mit rund 500 Professorinnen und Professoren, 10.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern und mehr als 37.000 Studierenden eine der forschungsstärksten Technischen Universitäten Europas. Ihre Schwerpunkte sind die Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften, Lebenswissenschaften und Medizin, ergänzt um Wirtschafts- und Bildungswissenschaften. Die TUM handelt als unternehmerische Universität, die Talente fördert und Mehrwert für die Gesellschaft schafft. Dabei profitiert sie von starken Partnern in Wissenschaft und Wirtschaft. Weltweit ist sie mit einem Campus in Singapur sowie Niederlassungen in Brüssel, Kairo, Mumbai, Peking und São Paulo vertreten. An der TUM haben Nobelpreisträger und Erfinder wie Rudolf Diesel und Carl von Linde geforscht. 2006 und 2012 wurde sie als Exzellenzuniversität ausgezeichnet. In internationalen Rankings gehört sie regelmäßig zu den besten Universitäten Deutschlands.
www.tum.de
 

Media Relations | Technische Universität München

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Interdisziplinäre Forschung:

nachricht Studie für Patienten mit Prostatakrebs: Einteilung in genomische Gruppen soll Therapie präzisieren
21.08.2017 | Universitätsklinikum Heidelberg

nachricht Fake News finden und bekämpfen
17.08.2017 | Fraunhofer-Institut für Sichere Informationstechnologie SIT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Interdisziplinäre Forschung >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

International führende Informatiker in Paderborn

21.08.2017 | Veranstaltungen

Wissenschaftliche Grundlagen für eine erfolgreiche Klimapolitik

21.08.2017 | Veranstaltungen

DGI-Forum in Wittenberg: Fake News und Stimmungsmache im Netz

21.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Im Neptun regnet es Diamanten: Forscherteam enthüllt Innenleben kosmischer Eisgiganten

21.08.2017 | Physik Astronomie

Ein Holodeck für Fliegen, Fische und Mäuse

21.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Institut für Lufttransportsysteme der TUHH nimmt neuen Cockpitsimulator in Betrieb

21.08.2017 | Verkehr Logistik