Physikbasierte Modellierung und Simulation SS'23
Vorlesung mit Übung

Aktuelles

• Die Klausur wird am Mitwoch dem 26.07.23 von 09:45 bis 11:15 Uhr im Raum IZ 160 stattfinden.
• Am 21.06 und 28.06 entfällt die Vorlesung.
• Am 03.05 und 10.05 entfällt die Vorlesung.
• Die erste Vorlesung und Übung findet am 12.04.2023 statt.
• Bitte Registrieren Sie sich für die Teilnahme an der Vorlesung und Übung über das Anmeldeformular auf unserer Website (https://www.cg.cs.tu-bs.de/teaching/students). Auf diese Weise können wir Sie über aktuelle Änderungen benachrichtigen. Diese Anmeldung ist informell und ersetzt nicht die offizielle Prüfungsanmeldung beim jeweiligen Prüfungsamt!

Beschreibung

In der Vorlesung werden physikalische Phänomene aus den Gebieten Newtonsche Mechanik und Optik vorgestellt und erläutert. Dabei wird insbesondere auf Berechnungsmodelle eingegangen, die in der Computergraphik zur plausiblen Animation und Simulation solcher Phänomene eingesetzt werden. In den praktischen Übungen können damit interessante virtuelle Experimente und deren Visualisierung durchgeführt werden.

Inhalt

• Dynamik von Masse-Punkten
• Dynamik von Starrkörpern (Rigid Bodies)
• Kollisionserkennung und -reaktion
• Masse-Feder Systeme (Mass-Spring Systems)
• Deformierbare Objekte mit Finiten Elementen
• Fluidsimulation
• Optics Simulation

Ort und Zeit

• Vorlesung: Mi 09:45 - 11:15 Uhr, Raum IZ 160
• Übungen:  Mi 11:30 - 13:00 Uhr, Raum IZ 359

Formales

• Die erfolgreiche Teilnahme an den Übungen wird als Studienleistung gewertet und ist Voraussetzung für die Teilnahme an der Prüfung zum Erwerb der Prüfungsleistung
• Klausurtermin: 26.07.23, 09:45 - 11:15 Uhr, Raum IZ 160

Vorlesung

Die Vorlesungsfolien werden im Verlauf des Semsters passwortgeschützt zur Verfügung gestellt. Das Passwort wird in der VL bekannt gegeben und kann notfalls beim Betreuer erfragt werden.

• 12.04.2023 - Lecture 01 [Slides][Video] - Introduction / Newtonian Dynamics
• 19.04.2023 - Lecture 02 [Slides][Video] - Differential Equations
• 26.04.2023 - Lecture 03 [Slides][Video] - Mass-Spring Systems
• 17.05.2023 - Lecture 04 [Slides][Video] - Collision Detection
• 24.05.2023 - Lecture 05 [Slides][Video] - Rigid Body Mechanics
• 07.06.2023 - Lecture 06 [Slides][Video] - Motion Constraints
• 14.06.2023 - Lecture 07 [Slides][Video] - Implicit Solvers
• 05.07.2023 -  [Video]            
  • Lecture 08 [Slides] - Lagrangian Fluids   
  • Lecture 09 [Slides] - PDEs on Regular Grids    
  • Lecture 10 [Slides] - Eulerian Fluids 

Übung

In der Übung werden Sie in Kleingruppen (2-3 Studierende) Programmieraufgaben bearbeiten, um vorlesungsbegleitend praktische Erfahrungen mit der Implementierung von Bildverarbeitungsverfahren zu sammeln. Die Übungsblätter werden jeden Mittwoch nach vor der Übung online gestellt.  In der Übungsstunde werden Sie die Möglichkeit haben, Fragen zum Vorlesungsinhalt und aktuellen Übungsblatt zu stellen, sowie die Lösung des letzten Aufgabenblatts vorzustellen. Die Punktevergabe erfolgt dabei individuell, es sollte also jedes Gruppenmitglied in der Lage sein, eventuelle Fragen zu den Aufgaben und dem Code zu beantworten. Zum Bestehen der Studienleistung werden mindestens 50% der Gesamtpunkzahl benötigt.

Augabenblätter, Code und Referenzlösungen zu den Übungen werden im Verlauf des Semesters hier bereitgestellt:

• 12.04.2023 - Exercise 01 [Sheet][Code] - Physical quantities / Explicit Euler method
• 19.04.2023 - Exercise 02 [Sheet][Code] - Runge-Kutta / Adaptive Euler solver
• 26.04.2023 - Exercise 03 [Sheet][Code] - Mass-Spring Systems
• 17.05.2023 - Exercise 04 [Sheet][Code] - Collision Detection / Friction
• 24.05.2023 - Exercise 05 [Sheet][Code] - Rigid Body Dynamics
• 07.06.2023 - Exercise 06 [Sheet][Code] - Motion Constraints
• 14.06.2023 - Exercise 07 [Sheet][Code] - AABBs
• 21.06.2023 - Exercise 08 [Sheet][Solution] - Conjugate Gradients
• 28.06.2023 - Exercise 09 [Sheet][Solution] - Implicit Euler Solver
• 05.07.2023 - Exercise 10 [Sheet] - Ausgabe Klausurvorbereitung
• 12.07.2023 - Klausurvorbereitung

Anforderungen

• Computergraphik 1 und 2
• Programmierkenntnisse in C/C++

Voraussetzungen

• Bachelor

Literatur

• Dieter Meschede, Gerthsen Physik, Springer, 1956-2006
• Frank Nielsen, Visual Computing, Charles River Media, Graphics Series, 2005

Fortgeschrittene Themen

• Andrew Glassner, Principles of Digital Image Synthesis Volume 2, Morgan Kaufmann, 1996
• Dieter Meschede, Optik, Licht und Laser, Teubner, 1999
• David H. Eberly, Game Physics, Morgan Kaufmann, Series in Interactive 3D Technology, 2004
• Erleben, Sporring, Henriksen, Dohlmann, Physics-Based Animation, Charles River Media, Graphics Series, 2005
• Christer Ericson, Real-Time Collision Detection, Morgan Kaufmann, Series in Interactive 3D Technology, 2005
• Open Source Physics, Davidson College