水の実時間アニメーション

概要

実時間での写実的な流体の表現はコンピュータゲームやバーチャルリアリティにおいてプレーヤをその世界に引き込むための重要な手段の一つである。流体は剛体に代表される他の物体とお互い影響を及ぼしあいながら運動を行うため、写実的な流体の表現に際しては剛体との相互作用を適切に取り扱わなければならない。 視覚的にもっともらしい流体の振る舞いを実現するためには、計算流体力学に基づいたシミュレーションが有効であるが、計算コストが高いためにこれまで流体の実時間アニメーションは実現されていなかった。 本論文では、剛体との相互作用を含むSmoothed Particle Hydrodynamicsに基づいた粒子ベースの流体シミュレーションの提案とその高速な実装、および反射・屈折・フレネル効果を伴った写実的な水面の描画方法について述べる。提案手法は実時間で剛体との相互作用を行う水のアニメーション生成を可能としている。

デモバイナリではPentium4 2.8GHzを搭載したPCで約30fpsで2000の粒子で構成される流体の対話的操作を可能としている。

特徴

物理ベースアニメーション

物理法則に従った流体の振る舞いをシミュレートすることにより、視覚的にもっともらしいアニメーションの生成を可能にする。

粒子ベースの流体シミュレーションとその高速な実装

高速なシミュレーションを行い、実時間で処理を可能にする。提案手法はSmoothed Particle Hydrodynamicsに基づいた粒子ベースの流体シミュレーションを利用している。

剛体を粒子としてシミュレート

剛体を流体の一種とみなし剛体を粒子の集合として表現し、剛体による制約条件を剛体を構成する粒子に適用することにより剛体をシミュレート。容易に剛体と流体との相互作用を表現できる。

プログラム可能なグラフィクスプロセッサを用いた陰影付け

反射や屈折などの光学現象の高速な表現を可能にする。

スクリーンショット

Interaction with wood

Interaction with stone

必要動作環境

• マイクロソフト Windows 2000以降
• インテル x86 互換プロセッサ
• OpenGL拡張、GL_ARB_fragment_programとGL_ARB_vertex_programをサポートするビデオカードとドライバ

ダウンロード

• デモバイナリ rtfluid04.zip (1.1 MB)

  既知の問題点
  - 大量の粒子が一箇所に集まったときにクラッシュする
  - 貧相なインタフェース :(
  

• キャプチャされた動画: コップの中に入った水 (7.4 MB), 木片と相互作用する水 (2.2 MB), 石と相互作用する水 (2.1 MB)
• 修士論文 mthesis.pdf (12.8 MB)

謝辞

デモに必要なキューブマップテクスチャを提供してくださったPaul Bourke 氏 とそのテクスチャの作者であるPeter Murphy 氏に感謝します。