Physiksimulation

"Wie ein Schluck Wasser in der Kurve" - Oftmals treten, gerade in älteren Videospielen, absurde Effekte auf, welche die Immersion stark negativ beeinträchtigen. So können kleine Kollisionen zweier Fahrzeuge bereits zu spektakulären Crashs führen, oder aber beliebige Zusammenstöße keinerlei Auswirkung auf die Beschaffenheit des Fahrzeugs haben, wie es etwa von der schadensmodellfreien Gran Turismo Serie bekannt ist. Die Simulation und Darstellung ganz alltäglicher Vorgänge wie des Eingießens eines Getränks in ein Glas erfordert Know-How aus verschiedenen Bereichen: Die Physik liefert Gleichungen, die Numerik Verfahren zum näherungsweisen Lösen dieser und die Informatik schließlich effiziente Algorithmen und Methoden der Computergrafik, um etwa Effekte wie Schaum darzustellen.

Auch Feuer und vor allem Rauch sind beliebte Simulationsgegenstände. Letzteres lässt sich zusammen mit Wasser und Flüssigkeiten i.A. zur Fluidsimulation verallgemeinern, die ein eigenes Forschungsgebiet darstellt. Im Zusammenhang damit sind die Smooth Particle Hydrodynamics eine beliebte Methode der Simulation.

Eine weitere Simulationsart stellen Masse-Feder-Systeme dar, die oft für Stoffe, Kleidung, Haare in Computerspielen oder Filmen, aber auch für menschliche Haut in der Medizin herangezogen werden.

Damit alle diese Simulationen in Echtzeit berechnet werden können, was insbesondere für Videospiele unumgänglich ist, sind Optimierungen (Parallelisierung der Algorithmen) vonnöten.

Der Vortrag soll dieses Thema anhand der Grundlagen und einiger Beispiele beleuchten und dem Hörer einen Einblick in das große und spannende Gebiet der Physiksimulation gewähren.

Inhalte

• Motivation: Wozu Simulation?
• Grundlagen: Differentialgleichungen, Newtonsche Bewegungsgleichungen, Numerik
• Implementierung: Parallele Programmierung mit CUDA und OpenCL
• Physik in Action: Starrkörperphysik, Fluidmechanik, Masse-Feder-Systeme
• Fazit: Aktueller Stand und Ausblick