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- Realistic simulation and animation of clouds using SkewT-LogP diagramsPublication . Duarte, Rui Pedro Monteiro Amaro; Gomes, Abel João PadrãoNuvens e clima são tópicos importantes em computação gráfica, nomeadamente na simulação e animação de fenómenos naturais. Tal deve-se ao facto de a simulação de fenómenos naturais−onde as nuvens estão incluídas−encontrar aplicações em filmes, jogos e simuladores de voo. Contudo, as técnicas existentes em computação gráfica apenas permitem representações de nuvens simplificadas, tornadas possíveis através de dinâmicas fictícias que imitam a realidade. O problema que este trabalho pretende abordar prende-se com a simulação de nuvens adequadas para utilização em ambientes virtuais, isto é, nuvens com dinâmica baseada em física que variam ao longo do tempo. Em meteorologia é comum usar técnicas de simulação de nuvens baseadas em leis da física, contudoossistemasatmosféricosdeprediçãonuméricasãocomputacionalmente pesados e normalmente possuem maior precisão numérica do que o necessário em computação gráfica. Neste campo, torna-se necessário direcionar e ajustar as características físicas ou contornar a realidade de modo a atingir os objetivos artísticos, sendo um fator fundamental que faz com que a computação gráfica se distinga das ciências físicas. Contudo, simulações puramente baseadas em física geram soluções de acordo com regras predefinidas e tornam-se notoriamente difíceis de controlar. De modo a enfrentar esses desafios desenvolvemos um novo método de simulação de nuvens baseado em física que possui a característica de ser computacionalmente leve e simula as propriedades dinâmicas relacionadas com a formação de nuvens. Este novo modelo evita resolver as equações físicas, ao apresentar uma solução explícita para essas equações através de diagramas termodinâmicos SkewT/LogP. O sistema incorpora dados reais de forma a simular os parâmetros necessários para a formação de nuvens. É especialmente adequado para a simulação de nuvens cumulus que se formam devido ao um processo convectivo. Esta abordagem permite não só reduzir os custos computacionais de métodos baseados em física, mas também fornece a possibilidade de controlar a forma e dinâmica de nuvens através do controlo dos níveis atmosféricos existentes no diagrama SkewT/LogP. Nestatese,abordámostambémumoutrodesafio,queestárelacionadocomasimulação de nuvens orográficas. Do nosso conhecimento, esta é a primeira tentativa de simular a formação deste tipo de nuvens. A novidade deste método reside no fato de este tipo de nuvens serem não convectivas, oque se traduz nocálculodeoutrosníveis atmosféricos. Além disso, atendendo a que este tipo de nuvens se forma sobre montanhas, é também apresentadoumalgoritmoparadeterminarainfluênciadamontanhasobreomovimento da nuvem. Em resumo, esta dissertação apresenta um conjunto de algoritmos para a modelação e simulação de nuvens cumulus e orográficas, recorrendo a diagramas termodinâmicos SkewT/LogP pela primeira vez no campo da computação gráfica.
- Real-Time Simulation of Cumulus Clouds through SkewT/LogP DiagramsPublication . Duarte, Rui; Gomes, AbelModeling, simulation, and realistic rendering of natural phenomena have been important goals in computer graphics for decades. Clouds, as a natural phenomenon, represent a real challenge because their birth, life, and death are amorphous and dynamic in nature. As a consequence, cloud simulation is very time-consuming when using physically-based methods. This paper presents a real-time cloud simulation method based on SkewT/LogP diagrams to overcome this time performance problem. These diagrams allow us to simulate 3D clouds from sounding data made public worldwide by weather agencies. More specifically, a SkewT/LogP diagram describes the vertical motion of a cloud in the atmosphere, i.e., our cloud simulator system is based on physics but avoids solving differential equations of cloud motion to achieve real-time rates. We have also built a visual tool for 2D SkewT/LogP diagrams that allows us to inspect, control and simulate the thermodynamic process of ascending clouds in the atmosphere, as well as a 3D synthetic environment where clouds are advected by buoyant forces. This lightweight physically-based technique enables the incorporation of our cloud simulator in systems tied to important industries, namely movies, virtual environments, and video games.