fysiksimulering

Fysiksimulering är beräkningen av fysiska processer i datorer genom att approximera lösningar på de differentialekvationer som beskriver rörelse och interaktion mellan objekt. Praktiskt används tidsdiscretisering där kontinuerlig tid ersätts av små tidssteg, och olika materialmodeller samt krafter tillämpas för att efterlikna verkliga fenomen.

Huvudkomponenterna i en simulering är tidintegration, kollisionsdetektering och kontaktrespons samt kraft- och restriktionsmodeller. Tidintegration kan vara explicit eller implicita. Vanliga metoder är Euler, semi-implicit Euler, Verlet och Runge-Kutta. Explicitare metoder är snabba men ofta mindre stabila för styva system; implicita metoder är stabilare men dyrare att beräkna.

Domänerna inom fysiksimulering inkluderar rigid body-dynamik, soft body och klädsimulering, partikelsystem samt vätske- och gaskomponenter. Rigid body-simuleringar beräknar rörelse och rotation hos fasta objekt, medan soft body och cloth behandlar deformation. Vätska och gaser kan modellera med partikelsystem eller fluiddynamikbaserade metoder som SPH (smoothed particle hydrodynamics).

Kollisioner och kontakthantering är centrala delar och innefattar detektering av kollisioner, kontaktpunkter, samt lösning av kontaktkrafter. Tekniker inkluderar straffmetoder, constraint-solver, och LCP-problem. Energidrift och numerisk instabilitet kan förekomma och hanteras med damping, stabiliserande integratorer eller små tidssteg.

Användningsområdena är breda: film och visuella effekter, videospel, simulering för ingenjörsdesign, robotik och utbildning. Även medicinska och biologiska simuleringar används för forskning och planering. Real-tidskrav i spel och interaktiva applikationer driver utvecklingen mot effektiva, parallelliserade algoritmer.

Vanliga verktyg och motorer inkluderar fritt tillgängliga som Bullet Physics, Box2D och ODE, samt kommersiella som Havok och PhysX. Många forsknings- och bruksprojekt använder också specialiserade ramverk som SOFA eller MuJoCo.