Scalable Subgrid Detail Modeling for Dynamic Particle Based Fluid Simulations
- 주제(키워드) Fluid Simulation , Graphics , SPH
- 발행기관 고려대학교 대학원
- 지도교수 김창헌
- 발행년도 2022
- 학위수여년월 2022. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 대학원 컴퓨터학과(정보대학)
- 세부전공 소프트웨어 전공
- 세부분야 해당없음
- 원문페이지 109 p
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/korea/000000269171
- UCI I804:11009-000000269171
- DOI 10.23186/korea.000000269171.11009.0001392
- 본문언어 영어
초록/요약
입자기반 시뮬레이션은 컴퓨터 그래픽스 분야에서 유체, 강제, 변형체 등과 같은 재질의 동적인 움직임을 표현하기 위해서 사용되는 주요 기법 중 하나이다. 그 중 유체시뮬레이션은 유체의 흐름을 표현하는 것 외에 자연현상에서 나타나는 유체의 특성을 나타내기위해서 입자간의 힘을 새롭게 모델링하거나 추가적인 도메인을 활용하였고, 이러한 접근 방식은 시뮬레이션의 가시적 품질을 향상시켰다. 본 논문에서는 입자기반 유체시뮬레이션에서 가장 대표적인 서브그리드 디테일인 표면장력과 거품입자의 표현기법을 개선하기 위한 모델링 기법을 제안하고자 한다. 본 논문에서 첫번째로 제안하는 내용은 입자 기반 유체시뮬레이션에서 다양한 스케일의 표면장력 표현 기법이다. 표면장력은 실생활에서 쉽게 접할 수 있는 유체의 특징중 하나로, 분자간에 발생하는 힘에 의해 나타난다. 이러한 표면장력은 유체의 경계면이 다른 상과 접하는 면적을 최소화하는 형태로 나타나기 때문에, 입자기반 유체 시뮬레이션에서는 표면 영역에 대한 입자에 표면장력을 모델링하여 적용하였다. 컬러 필드와 법선 벡터를 통해서 표면적과 곡률을 근사하고, 이를 감소시키는 방향으로 힘을 모델링하였다. 이러한 기법은 시뮬레이션 영역에서 외력으로 적용하여, 유체에 나타나는 표면장력을 표현하였다. 하지만 이렇게 외력형태로 적용되어진 힘은 금속액체나 나뭇잎 위의 물방울 같은 강한 형태의 표면장력을 효율적으로 나타내기에는 한계가 있다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 개선할 수 있는 기법을 제안하여, 기존의 방법보다 안정적인 형태로 크고 작은 표면장력을 표현 할 수 있었다. 다음은 거품입자의 와류 운동 표현 기법이다. 거품의 생성은 유체가 강하게 부딪히거나 움직이는 동적인 장면에서 관찰되는 자연현상이다. 그래픽스 분야에서는 이러한 거품을 표현하기위해서 거품 입자라는 새로운 2차적인 도메인을 유체 시뮬레이션에 적용하였다. 유체의 움직임에 따라서 거품입자를 생성하고, 이를 유체도메인을 통해 이류시켜 거품의 움직임을 표현하였다. 하지만 이런 형태의 거품의 운동은 기반이 되는 유체 도메인과 강하게 결속되어 있기때문에 거품 입자가 점성이 생겨 덩어리지는 문제가 발생한다. 이는 거품효과를 과장하거나 보다 생동감있는 형태로 표현하는데 제한적일 수 밖에 없다. 본 논문에서는 거품 입자의 운동에 기반이 되는 유체입자의 각운동량을 적용하여, 이를 기반으로 거품입자에 난류를 적용시키는 방법을 제안하였다. 이 기법을 기반으로 거품 입자의 추가 이류를 통해 손실된 난류를 복원 할 수 있으며, 생동감있는 동적인 형태의 거품의 움직임을 표현할 수 있었다. 이는 화면 공간 투영 기법에 적용하여 기존의 기법과 비교분석을 하였으며, 우리 접근 방식의 이점을 모두 수용할 수 있도록하였다.
more초록/요약
Particle-based simulation is one of the main techniques used to express the dynamic movement of materials such as fluids, forces, and deformable objects in the field of computer graphics. Among them, fluid simulations newly modeled forces between particles or utilized additional domains to represent fluid properties that appear in natural phenomena in addition to expressing the flow of fluids, and this approach improved the visual quality of simulations. In this thesis, we propose a modeling technique to improve the surface tension and bubble particle expression technique, which are the most representative subgrid details in particle-based fluid simulation. First, we propose a real-time particle-based fluid simulation framework that can efficiently and stably express high surface tension. Surface tension has a great influence on the shape of the fluid interface, and is an important physical characteristic in expressing not only liquids but also liquid metals such as mercury and gallium. In the field of physics-based particle fluid simulations, it is a challenging problem to express the high surface tension generated by fluid-air or fluid-solid interaction in real time. The main reason for this are 1) The magnitude of the force that can be stably expressed in real-time fluid simulation is limited, so when the magnitude of the surface tension increases at a large time-step, the simulation stability decreases, and 2) If we use a small time-step, a stronger force can be expressed. However, it becomes difficult to operate in real-time because the computational cost increases. Techniques have been proposed to solve this problem for a few specific scenes, but there has not yet been a general approach that can reliably express high surface tension in various scenarios. Unlike the previous methods, we newly model the surface tension so that the strong surface tension force generated in the droplet area with a large curvature is applied evenly in the normal and tangent directions regardless of the size of the droplet. We also propose new pressure constraints that converge quickly and accurately using this force. Our method can be effectively used in various physics-based simulation scenarios because it can easily express and control surface tension effects that appear in materials such as liquid metal as well as water. Second, we propose an angular momentum-based advection technique that can express the turbulent foam effect. The motion of foam particles, which are strongly bound to the motion of the underlying fluid, is viscous, and sometimes clumping problems occur. This problem is a decisive factor that makes it difficult to express realistic foam effects. Since foam particles, which are secondary effects, depend on the motion of the underlying water, in order to exaggerate the foam effects or express more lively foam effects, it is inevitable to tune the motion of the underlying water and then readjust the foam particles. Because of such a cumbersome process, the readjustment of the foam effects requires a change in the motion of the underlying water, and it is not easy to produce such a scene because the water and foam effects must change at the same time. In this paper, we present a method to maintain angular momentum-based force from water particles without tuning the motion of the underlying water. We can restore the lost turbulent flow by additional advection of foam particles based on this force. In addition, our method can be integrated with screen-space projection frameworks, allowing us to fully embrace all the advantages of this approach. In this paper, the turbulence of the foam particles was improved by minimizing the viscous motion of the foam particles without tuning the motion of the underlying water, and as a result, lively foam effects can be expressed.
more목차
1 Introduction 1
1.1 Motivation 1
1.2 Interactive Multi-scale Surface Tension 2
1.3 Turbulent Foams by Incorporating the Angular Momentum 9
1.4 Contributions 15
2 Related Work 17
2.1 Surface Tension 17
2.2 Turbulent Foams 19
2.2.1 Physically-Based Foam Modeling Approaches 19
2.2.2 Screen-Space Foam Modeling Approaches 21
3 Interactive Multi-scale Surface Tension 23
3.1 Overview 23
3.2 Surface Tension 25
3.3 Novel Constraints of Surface Tension 31
3.4 Droplet Separation 33
3.5 Controlling the String-Shaped Artifact 36
4 Turbulent Foams by Incorporating the Angular Momentum 42
i4.1 Overview 42
4.2 Foam Effects Based on Projective-Space 45
4.2.1 Projection Map Generation from Fluid Particles 45
4.2.2 Foam Particle Generation 47
4.3 Angular Momentum of Water Particle and Advection of
Foam Particle 49
4.3.1 Angular Momentum Calculation in Fluid Particles 50
4.3.2 Angular Momentum Transfer to Foam Particles . 51
4.3.3 Dissolution 52
5 Implementations and Results 53
5.1 Interactive Multi-scale Surface Tension 53
5.1.1 Implementations 53
5.1.2 Results 53
5.2 Turbulent Foams by Incorporating the Angular Momentum 65
5.2.1 Implementations 65
5.2.2 Validation Test for Angular Momentum 66
5.2.3 Foam Effects with Angular Momentum 72
6 Conclusions 78
