Palander – ein Blender Add-on für Fluidsimulationen auf einem Supercomputer

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Es gibt zwei rechenintensive Aufgaben, die in der künstlerischen Inhaltserstellung üblicherweise auftreten: Simulationen und Rendering. Oftmals können diese schwere Engpässe erzeugen, die die Fristen von Filmproduktionen gefährden können. Deshalb sind diese Themenfelder hervorragende Kandidaten für High-Performance Computing (HPC) Anwendungen im Rahmen des MSC-BW Projekts. Dieser Artikel präsentiert Palander, einen Prototyp der von unseren Projektpartnern des Animationsinstituts der Filmakademie Baden-Württemberg entwickelt wurde. Er wird derzeit in einem studentischen Projekt sowie in Zusammenarbeit mit einem lokalen Visual Effects-Unternehmen getestet.

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Palander ist ein Prototyp für die Verwendung eines digitalen Inhaltserstellungs-Tools (DCC), um eine Fluidsimulation auf einen externen Solver zu leiten, der auf dem HLRS Cray Supercomputer, Hazel Hen, ausgeführt werden kann. Der Name „Palander“ ist eine Kombination der Tools, die dazu verwendet werden: Palabos ist das externe Fluid-Simulations-Framework und Blender ist das DCC-Tool. Beide sind Open-Source Software, die es ermöglicht, sie ohne Einschränkungen an diesen speziellen Anwendungsfall anzupassen. Außerdem löst die Rechtefreiheit die Problematik viele teure Lizenzen für den Betrieb der Software auf einem verteilten System wie der Hazel Hen erwerben zu müssen. Darüber hinaus werden alle unabhängigen Dateien, die den Palander-Prototyp darstellen, als Open-Source freigegeben. Alle notwendigen Dateien und / oder Anweisungen, wo sie zu finden sind, sind unter folgender Adresse frei zugänglich: https://github.com/FilmakademieRnd/Palander

Als Blender-Add-on bietet Palander dem Nutzer ein zusätzliches Menü mit Optionen, mit denen die Simulation ausgeführt werden kann, zusätzlich zu einer Anzahl von Parametern, die automatisch aus dem Szenen-Setup extrahiert wurden. Palander kann eine Palabos-Fluidsimulation auf dem lokalen Desktop für eine schnelle Ansicht in geringerer Qualität veranlassen, sowie die Berechnung auf dem HazelHen Supercomputer laufen lassen. Wenn eine dieser Möglichkeiten aktiviert ist, überträgt der Prototyp automatisch alle notwendigen Informationen, um die Simulation durchzuführen – von numerischen Parametern bis hin zu Mesh-Geometrien – und initiiert die Simulation auf der gewünschten Plattform. Die Simulationsergebnisse werden automatisch gemeshed und auf Blender zum Betrachten und Rendern übertragen. Natürlich wird der Nutzer nicht davon abgehalten die gleiche Simulation auch auf der nativen Simulationsengine von Blender (Elbeem) für einen Vergleich der Ergebnisse auszuführen.

 

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Abb. 1: Simulationslaufzeiten für Elbeem auf einem Desktop (grüne Dreiecke) und Palabos auf dem Hazel Hen Supercomputer (rote Kreise). Wenn die Auflösung erhöht wird, erhöht sich die erforderliche Laufzeit auf einem Desktop exponentiell, während das Hinzufügen weiterer Computing-Knoten auf dem Supercomputer die Laufzeit nahezu konstant hält.

Benchmark-Tests haben gezeigt, dass Palander je nach Szenen-Setup von einer hohen parallelen Effizienz profitieren kann, da die Simulationszeiten konstant gehalten werden können durch Hinzufügen einer proportionalen Anzahl an Kernen bei Simulationen mit zunehmendem Detailgrad (siehe Abb. 1). Testläufe zum Vergleich, die auf einem Desktopcomputer mit einer konstanten Menge an Prozessorkernen ausgeführt wurden, zeigen, dass eine Detailsteigerung dazu führt, dass die Dauer für die Berechnungen exponentiell zunimmt, bis das benötigte Memorykontingent nicht mehr erfüllt werden kann und die Simulation abstürzt. Memory ist hingegen überhaupt kein Problem, wenn die Simulation auf Hazel Hen ausgeführt wird, da das Hinzufügen von Prozessorkernen für die Verarbeitung eine entsprechende Menge an neuem verfügbaren Speicher mit sich bringt.

Auf den gerenderten Bildern aus den Testläufen (siehe Abb. 2) sehen wir das Ergebnis des erhöhten Detailgrads: kleinere und kleinste Merkmale wie einzelne Tröpfchen, Blasen und sogar Schaum sind zu unterscheiden. Somit ist es durch die Erhöhung der Rechenleistung für die Simulationen möglich, die Notwendigkeit von beispielsweise komplementärer Partikelsimulationen zu umgehen, die häufig in konventionellen Produktionsabläufen verwendet werden, um diese zusätzlichen Effekte zu erzielen.

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Abb. 2: Ein Dammbruch im „Biber im Bart“ Wald. Mehrere einzelne Blasen sind im Vordergrund sichtbar. Eine Nuance an Schaum kann an mehreren Stellen auf der Wasseroberfläche gesehen werden. (Für eine größere Ansicht auf das Bild klicken)

Unsere andauernden Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf weitere Tests und die Verbesserung des Prototyps, um zu zeigen, dass dieser auch in realen Produktionsprojekten eingesetzt werden kann. Wir arbeiten momentan eng zusammen mit eine Studentengruppe des Animationsinstituts, die für den offiziellen Trailer „Biber im Bart“ für die FMX 2018 verantwortlich ist; mit dem Ziel die Palander-Fluidsimulation in einer ihrer Episoden zu verwenden. Desweiteren kooperieren wir mit lokalen Visual Effects-Unternehmen in Stuttgart, um die Palander-Ergebnisse mit der Arbeit in einer professionellen Produktionsumgebung zu vergleichen.

https://github.com/FilmakademieRnd/Palander

 

 

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