Towards interactive simulation of soft, rigid and viscous objects in immersive virtual reality

Abstract

Objects composed of fluids, rigid, and soft bodies are present in our planet, and people interact with them in their daily life. Also, some materials change their shape and behavior due to changes on physical properties depending on environmental conditions such as air pressure, and heat. This is known as phase-change phenomena. They are present in the melting of snow when winter ends, the solidification of rocks into a volcanic eruption, the evaporation of a fluid when it reaches its boiling temperature, or the evaporation of the oceans due to the temperature increase. The current development of physics-based animation attempts to simulate materials and their phase-change transitions. However, there is still not a method to unify all transitions between the states of the material, nor an intuitive tool to allow users to interact with materials in different states in real time. In this work, we propose to integrate interactive simulations based on a particle-based framework in virtual environments. Extended Position-Based Dynamics (XPBD) and Smoothed Particle Hydrodynamic (SPH) methods were modified and adapted to create a general method that unifies materials and allows the interaction with and among them. We simulate objects composed of viscous, rigid, and soft materials and allow the transition between their physically properties modeling the phase-change phenomena. We also propose a virtual tool that allows interacting in the virtual environment and sketching new objects using these objects within a virtual reality experience.We demonstrate that the interactive methods proposed allow reaching plausible visual simulations. Our results show that the reproduction of melting, solidification, evaporation, and condensation phenomena is closer to reality, furthermore including the visualization of the dilation and convection effects. Another result reached is the high realism of the 3D models in Virtual Reality because of the modeling inspired in Physics to enrich 3D drawings with dynamic behaviors, and the ability for users to interact with the model dynamically, modeling it as it moves, deforms, and falls. Our proposal is based on interactive methods and has a low computation cost.

Objetos compostos por fluidos, corpos rígidos e flexíveis estão presentes em nosso planeta, sendo que as pessoas interagem com eles em sua vida cotidiana. Alguns materiais mudam sua forma e comportamento devido a alterações nas propriedades físicas, dependendo das condições ambientais, como pressão do ar e calor, também conhecidos como fenômenos de mudança de estado. Exemplos de mudanças de estado são o derretimento da neve quando o inverno termina, a solidificação das rochas em uma erupção vulcânica, a evaporação de um líquido quando atinge a temperatura de ebulição, ou a evaporação dos oceanos devido ao aumento da temperatura. A animação baseada em Física tenta simular materiais e suas transições de mudança de estado. No entanto, ainda não existe um método para unificar todas as transições entre os diferentes estados do material, nem uma ferramenta intuitiva para permitir que os usuários interajam com materiais em diferentes estados em tempo real. Neste trabalho, propomos a integração de simulações interativas em ambientes virtuais, sobre um framework baseada em partículas. Conseguimos simular objetos compostos de materiais viscosos, rígidos e macios e transformar suas propriedades físicas modelando os fenômenos de mudança de fase, além de uma ferramenta virtual que permite interagir e esboçar novos objetos usando esses materiais na realidade virtual. Os métodos de Dinâmica Baseada em Posição Estendida (XPBD) e Hidrodinâmica de Partículas Suavizadas (SPH) foram modificados e adaptados para criar um método geral que unifica os materiais e permite a interação com e entre eles. Demonstrou-se que os métodos interativos propostos permitem alcançar simulações visuais plausíveis. Os resultados mostram que a reprodução dos fenômenos de fusão, solidificação, evaporação e condensação está próxima da realidade, incluindo ainda a visualização dos efeitos de dilatação e convecção. Outro resultado alcançado é o alto realismo dos modelos 3D em Realidade Virtual, devido à modelagem inspirada na Física para enriquecer os desenhos 3D com comportamentos dinâmicos e a capacidade dos usuários de interagirem dinamicamente com o modelo, criando novas formas à medida que os objetos se movem, deformam e caem. Além disso, esta proposta é baseada em métodos interativos e possui baixo custo computacional.