GPU basierte Verfahren zur interaktiven Simulation und Darstellung von Fluid-Effekten (A GPU Framework for Interactive Simulation and Rendering of Fluid Effects)

Zusammenfassung Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von Konzepten und Methoden zur interaktiven visuellen Simulation von Fluid-Phänomenen auf PC-Grafikkarten (GPUs). Für die numerische Simulation auf GPUs wurde eine GPU-Abstraktionsschicht entwickelt, die Operatoren für Lineare Algebra bereitstellt. Damit wurden komplexere Algorithmen, z.B. Löser für große lineare Gleichungssysteme, realisiert und zur effizienten numerischen Lösung von Differentialgleichungen auf der GPU verwendet. Zur Modellierung von Strömungsstrukturen wurden neue Interaktionstechniken entwickelt. Für die Darstellung der dynamischen Phänomene wurden partikel- und texturbasierte Volume-Rendering-Techniken erforscht. Durch das Zusammenspiel mit der Simulation auf der GPU lassen sich realistische 3D-Effekte sehr schnell generieren und visualisieren. Summary This thesis aims at exploiting graphics processing units (GPUs) for interactive simulation and rendering of fluid effects. I target the GPU for a couple of reasons. First, GPUs present the first commercially successful examples of a class of future computing architectures key to high-performance, cost-effective supercomputing. Second, as the simulation is carried out on the GPU, simulation results are already where they are needed for display – in local GPU memory. This eliminates CPU–GPU data transfer, which is likely to become the bottleneck otherwise. To be able to implement general techniques of numerical computing on the GPU I have developed a linear algebra framework which allows to abstract from the underlying GPU data structures and algorithms, to focus on the application itself. Based on this framework I have implemented efficient algorithms for solving large systems of linear equations, and I have used these algorithms to solve partial differential equations such as the wave equation or the Navier–Stokes equations on GPUs. In addition to physics-based simulation of fluid phenomena, in this thesis I also present new techniques to simulate optical effects caused by such phenomena, i. e., caustics that can appear whenever light impinges upon reflecting or transmitting material.