Arquitectura para sistemas de partículas dinâmicos

Abstract

Este relatório pretende documentar o trabalho realizado na Dissertação de Mestrado em Tecnologias de Informação Visual. O trabalho desenvolvido ambiciona a discussão de uma arquitectura para sistemas de partículas dinâmicos, onde se tenciona agrupar e definir todos os aspectos que são intervenientes nesta área, de uma forma intuitiva e construtiva. Pretende-se recorrer à utilização de um motor físico para proporcionar uma evolução da arquitectura, disponibilizando novas ferramentas que permitem atingir novos patamares de dinâmica nos movimentos das partículas e consequentemente a concepção de novos sistemas. A simulação de sistemas de partículas dinâmicos tem sido empregada em animação computacional durante vários anos, e recentemente a sua maior usabilidade é introduzida em sistemas de simulação em tempo real na área científica, ambientes virtuais, bem como na utilização de efeitos na indústria dos jogos. A sua importância tem sido reconhecida como um bloco de desenvolvimento essencial para o enriquecimento detalhado de fenómenos em ambientes que simulam elementos naturais. As aplicações actuais são na sua grande maioria limitadas pela enorme transferência de dados que existe entre o processador principal (CPU) e o processador gráfico (GPU). Existem muitas investigações que exploraram várias maneiras diferentes de computação em sistemas de partículas, mas até ao momento as pesquisas e discussões sobre o modo de organizar uma arquitectura com uma interface sustentável para implementação, uso e futuras extensões dos trabalhos realizados, foram escassas. Para analisar o desafio proposto, deve-se encontrar uma resposta para as seguintes questões: - Que tipo de abstracção será mais útil para a especificação de sistemas de partículas? - Que tipo de arquitectura pode ser construído, de modo a que novos efeitos possam ser introduzidos? - Qual o conjunto de funcionalidades que devem ser disponíveis na aplicação ao nível de CPU, como ao nível de equipamento especializado (GPU)?

The aim of this report is to document the work done in the Master’s Dissertation in Visual Information Technologies. This work aims for a discussion on developing an architecture of dynamic particle systems, where it´s intended to group and define all the aspects of it, in an intuitive and constructive form. It is intended to use a physics engine, used for a physically-based modeling, to allow a natural evolution on the architecture, captivating the advantages of the new tools in order to provide a new level of dynamism in particle movement and the creation of new systems. Simulations using dynamic particle systems have been used in computer animation for several years, and recently it has been used in real-time systems such as science research, computer graphics, and in the game industry. Its value has been greatly recognized as a central block of development for simulation and creating detailed natural phenomena in virtual scenes. Real-time applications are greatly limited by the enormous data transfers between the main processor (CPU) and the graphics processor (GPU). There has been a great number of investigations regarding different approaches on the computation of dynamic particle systems, but until today, research and discussions about creating a substantial architecture interface for implementation, usage and future extensions, mas been insufficient. In order to analyze the proposed challenge, we should find the answer to the following questions: - What form of abstraction will be more useful for defining a dynamic particle system? - What nature of architecture can be built, so that new effects could be introduced? - What are the functionalities that should be available to the application on the CPU level as well on the specialized equipment (GPU)?