Deep learning has shown great potential for modeling the physical dynamics of complex particle systems such as fluids (in Lagrangian descriptions). Existing approaches, however, require the supervision of consecutive particle properties, including positions and velocities. In this paper, we consider a partially observable scenario known as fluid dynamics grounding, that is, inferring the state transitions and interactions within the fluid particle systems from sequential visual observations of the fluid surface. We propose a differentiable two-stage network named NeuroFluid. Our approach consists of (i) a particle-driven neural renderer, which involves fluid physical properties into the volume rendering function, and (ii) a particle transition model optimized to reduce the differences between the rendered and the observed images. NeuroFluid provides the first solution to unsupervised learning of particle-based fluid dynamics by training these two models jointly. It is shown to reasonably estimate the underlying physics of fluids with different initial shapes, viscosity, and densities. It is a potential alternative approach to understanding complex fluid mechanics, such as turbulence, that are difficult to model using traditional methods of mathematical physics.


翻译:深层学习显示,在模拟液体等复杂粒子系统的物理动态方面,有巨大的潜力(在Lagrangian的描述中)。但是,现有的方法要求监督连续粒子特性,包括位置和速度。在本文中,我们认为一种部分可见的情景,即流体动态定位,即从对液体表面的连续视觉观测中推断流体粒子系统中的状态转变和相互作用。我们建议了一个名为NeuroFluid的可区分的两阶段网络。我们的方法包括(一)粒子驱动的神经转化器,它涉及体积转换功能中的流体物理特性,以及(二)一个优化的粒子转换模型,以缩小所提供的粒子与观察到的图像之间的差异。NeuroFluid通过联合培训这两个模型,为无监督地学习粒子流体动态提供了第一个解决方案。我们证明,可以合理地估计具有不同初始形状、粘度和密度的液体的基本物理学。这是一个潜在的替代方法,用以理解复杂的液体力力学,例如波动,很难用传统的数学物理学方法进行模型。

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