질점-용수철 기반변형/파괴 물체와 격자 기반 유체의 상호작용 시뮬레이션 기술

김봉준(Bong-Jun Kim),임재광(Jae-Gwang Lim),홍정모(Jeong-Mo Hong) 한국컴퓨터그래픽스학회 2014 컴퓨터그래픽스학회논문지 Vol.20 No.4

유체의 흐름과 고체의 변형 및 파괴 현상이 어우러진 복잡한 자연 현상을 영상물로 만들어 내는 것은 각각의 물리 현상을 시뮬레이션 하는 기술들이 서로 상호작용할 수 있도록 결합되어야 가능하다. 본 논문에서는 질점-용수철 기반의 변형과 파괴가 가능한 물체와 격자 기반의유체가 서로 상호작용하는 시뮬레이션 기법을 제안한다. 이 기법은 유체 간의 상호작용과 물체와 유체의 상호작용으로 나뉜다. 유체는 물과 연기로 구성되며 이들의 상호작용은 가변 밀도를 사용하는 기법과는 다르게 시뮬레이션을 두 단계로 나눠 진행한다. 먼저 유체 이류 이후의 경계 영역에 있는 물과 공기의 속도를 질량의 비율에 맞춰 혼합한다. 그리고 물의 프로젝션 과정에서 연기 영역을 Dirichlet 경계조건으로 설정하고 연기를 프로젝션 과정에서 물 영역을 Neumann 경계조건으로 설정하여 두 개의 문제로 분리한다. 유체를 독립적으로 풀기 때문에 상대적으로 높은 안정성을 기대할 수 있으며 프로젝션 과정에서 요구되는 셀의 개수가 감소하여 수렴시키는데 필요한 계산 횟수가 줄어들어 효율적이다. 물체는 물과 공기 모두 프로젝션을 할 때 기존의 강체와의 상호작용 기법과 유사하게 Neumann 경계조건으로 설정하지만 각 질점에 대하여 유체의 압력을 적분하기 때문에 유체의 움직임에 반응하는 변형과 파괴를 다룰 수 있다. 제안한 기법은 물리적으로 정밀한 결과를 제공하지는 않지만 영상 제작에서 필요한 다양한 시나리오의 시뮬레이션이 가능하며 논문에 제시된 다양한 결과는 이 기법이 효과적이라는 것을 보여준다. This paper proposes a novel method that couples fluid and deformation/fracture. Our method considers two interaction types: fluid-object interaction and fluid-fluid interaction. In fluid-fluid interaction, we simulate water and smoke separately and blend their velocities in the intersecting region depend on their densities. Our method separates projection process into two steps for each of water and smoke. This reduces the number of grid cells required for projection in order to optimize the number of iterations for convergence and improve stability of the simulation. In water projection step, smoke region regarded as the cells with Dirichlet boundary condition. The smoke projection step solves water region with Neumann boundary condition. To take care of fluid-object interaction, we make use of the fluid pressure to update velocities of the each of the mass points so that the object can deform or fracture. Although our method doesn’t provide physically accurate results, the various examples show that our method generate appealing visuals with good performance.

효율적인 유체 시뮬레이션을 위한 FLIP과 레벨셋의 적응형 혼합 기법

임재광(Jae-Gwang Lim),김봉준(Bong-Jun Kim),홍정모(Jeong-Mo Hong) 한국컴퓨터그래픽스학회 2013 컴퓨터그래픽스학회논문지 Vol.19 No.3

FLIP 기반의 유체 시뮬레이션은 품질에 대비 높은 효율을 자랑하기 때문에 Visual Effect(VFX)산업에 널리 사용되고 있다. FLIP 기술에서는 바다와 같은 대규모의 물을 시뮬레이션 할 때 시각적으로 중요하지 않은 물의 안쪽까지도 파티클을 할당해야 하기 때문에 보이는 파티클보다 보이지 않는 파티클의 개수가 훨씬 많은 경우에는 시뮬레이션 작업의 효율성이 떨어진다. 본 논문에서는 이러한 단점을 보완하기 위하여 레벨셋(Level Set)과 Fluid Implicit Particle(FLIP) 기반의 유체 시뮬레이션 기법을 혼합(hybrid)한 효율적인 유체 시뮬레이션 기법을 제안한다. 파티클들을 물의 안쪽 표면 근처의 얇은 층에만 배치함으로써 사용되는 파티클의 갯수를 줄여서 결과적으로 시뮬레이션의 효율성을 크게 높일 수 있었다. 또한 [1]의 표면 재구성 기법과 moving least squares(MLS) [2] 기법을 결합한 새로운 유체 표면 재구성 기법을 적용하여 FLIP을통해 격자(Grid)기반시뮬레이션에서 발생하는 수치적 소실을 줄이고 동시에 유체의 부드러운 표면을 유지할 수 있다. 본 논문의 혼합시뮬레이션 기술은 높은 품질의 유체 시뮬레이션을 효율적으로 수행하여 다양한 규모의 유체를 표현할 수 있었다. Fluid Implicit Particle (FLIP) method is used in Visual Effect(VFX) industries frequently because FLIP based simulation show high performance with good visual quality. However in large-scale fluid simulations, the efficiency of FLIP method is low because it requires many particles to represent large volume of water. In this papers, we propose a novel hybrid method of simulating fluids to supplement this drawback. To improve the performance of the FLIP method by reducing the number of particles, particles are deployed inside thin layers of the inner surface of water volume only. The coupling between less-disspative solutions of FLIP method and viscosity solution of levelset method is achieved by introducing a new surface reconstruction method motivated by surface reconstruction method[1] and moving least squares(MLS) method[2]. Our hybrid method can generate high quality of water simulations efficiently with various multiscale features.

위치 기반 삼각화를 이용한 입자 기반 유체 시뮬레이션 가속화 기법

홍만기(Manki Hong),임재호(Jaeho Im),김창헌(Chang-Hun Kim),변혜원(Hae Won Byun) 한국컴퓨터그래픽스학회 2017 컴퓨터그래픽스학회논문지 Vol.23 No.1

본 논문은 입자 기반 대규모 유체 시뮬레이션의 가속화 기법을 새롭게 제안한다. 전통적인 입자 기반 유체 시뮬레이션은 SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)기법[1]을 통해 인접 입자와 물리량을 상호작용하는 방식으로 이루어졌다. 이러한 방식은 잔잔한 표면이나 유체 내부와 같이 입자의 움직임이 적은 부분에서는 연산량에 비해 가시적인 변화를 보이지 않는다는 특성이 있다. 이러한 현상은 입자의 개수가 많아질수록 두드러지게 나타난다. 기존 연구에서는 유체의 각 부분을 적응적으로 나눔으로써 낭비되는 연산량을 줄이려는 시도를 했다. 본 논문은 대규모 시뮬레이션에 적합한 입자 기반 유체시뮬레이션 기법을 제안한다. 시뮬레이션에서 사용되는 모든 입자를 유체 움직임의 기준이 되는 샘플링 입자와 샘플링 입자에 의해 움직임이 결정되는 보간 입자로 분류하고 샘플링 입자에 의해 생성되는 삼각형 맵과 무게중심 좌표계를 이용한 보간방법을 통해 연산시간을 단축하는 기법을 제안한다. 우리의 기법은 입자의 개수가 많을수록 더욱 효율적이며 유체 표면의 세밀한 움직임 또한 표현하는 것이 가능하다. This paper proposes a novel acceleration method for particle based large scale fluid simulation. Traditional particle-based fluid simulation has been implemented by interacting with physical quantities of neighbor particles through the Smoothed Particle Hydrodynamics(SPH) technique[1]. SPH method has the characteristic that there is no visible change compared to the computation amount in a part where the particle movement is small, such as a calm surface or inter-fluid. This becomes more prominent as the number of particles increases. Previous work has attempted to reduce the amount of spare computation by adaptively dividing each part of the fluid. In this paper, we propose a technique to calculate the motion of the entire particles by using the physical quantities of the near sampled particles by sampling the particles inside the fluid at regular intervals and using them as reference points of the fluid motion. We propose a technique to adaptively generate a triangle map based on the position of the sampled particles in order to efficiently search for nearby particles, and we have been able to interpolate the physical quantities of particles using the barycentric coordinate system. The proposed acceleration technique does not perform any additional correction for two classes of fluid particles. Our technique shows a large improvement in speed as the number of particles increases. The proposed technique also does not interfere with the fine movement of the fluid surface particles.

유체 시뮬레이션 기술을 이용한 비유체 표현기법

이성준,허연진,신병석 한국차세대컴퓨팅학회 2019 한국차세대컴퓨팅학회 논문지 Vol.15 No.4

이 논문에서는 유체 시뮬레이션 기술을 사용해서 비유체인 토사를 시뮬레이션하는 방법을 구현했다. 굴착 작업 등에 의해 생성되는 토사를 표현하기 위해 널리 사용되는 NVIDIA 사의 FleX를 사용하였다. FleX는 SPH(Smoothed-particle hydrodynamics) 기법과 위치 기반 동역학 (Position Based Dynamics) 기법을 결합한 입자 기반 물리 시뮬레이션 라이브러리로서 이를 이용하면 유체를 실감 있게 표현할 수 있다. 그러나 토사는 유체의 성질뿐만 아니라 비유체의 성질도 가지고 있기 때문에 기존의 FleX가 제공하는 기능만으로 시뮬레이션하기 어렵다. 본 연구에서는 기존 Flex를 이용하여 비유체의 행태를 시뮬레이션하기 위한 기법을 추가하였다. 이를 통해 적은 비용으로 효과적인 결과 개선이 이루어질 수 있다. In this paper, we have implemented soil simulation using fluid simulation technology. A widely used NVIDIA FleX was used to represent the soil generated by excavation work. FleX is a particle-based physics simulation library that combines SPH (Smoothed-particle hydrodynamics) and Position Based Dynamics techniques. However, since the soil has not only fluid properties but also non-fluid properties, it is difficult to simulate with the functions provided by conventional FleX. In this study, we added a technique to simulate non-fluid behavior using existing Flex. This can lead to effective results improvement at low cost.

유체 시뮬레이션을 통한 수묵미학의 구현 - < Believe in the Power of Brands, 2009 >를 중심으로

황민식,이현석 한국영상학회 2017 한국영상학회 논문집 Vol.15 No.1

유체 시뮬레이션의 수묵효과를 통해 제작된 <Believe in the power of brands 2009>는 중국 고대의 역사와 문화 그리고, 현대화된 중국의 모습을 효과적으로 영상화 하였으며, <VDW Award 2010 - Best Animation> 등 애니메이션 및 광고 분야에서 다수의 수상을 통해 그 작품성을 세계적으로 인정받았다. 1960년대 <올챙이 엄마 찾기 1960>, <피리 부는 목동 1963>으로 시작된 초기 애니메이션은 전통수묵회화의 아름다움을 성공적으로 영상화하며, 당시 중국 애니메이션의 황금기를 주도하였다. 이 후 2000년대에는 3D 컴퓨터 애니메이션으로 제작되었으며, 최근에는 유체 시뮬레이션을 통한 수묵효과가 게임트레일러와 광고 영상에서 적용되고 있다. 이에 본 연구는 <Believe in the power of brands 2009>에서 구현된 유체시뮬레이션의 표현기법과 수묵영상미학 그리고, 이와 연관한 사회적 맥락과 예술적 의의를 살펴보고자 한다. 이를 위한 연구의 전개는 첫째, 도가 사상과 연관한 수묵화의 전통예술성과 수묵화의 표현기법에 대해 문헌연구를 중심으로 진행하고, 둘째, 수묵 애니메이션의 발전과정과 제작방식에 대해 고찰한다. 셋째, 유체 시뮬레이션의 기능적 특성과 제작 방식, 그리고 그 예술적 활용에 대해 살펴본다. 넷째, 중국 전통 미술의 비평이론인 사혁의 육법과 유체 수묵효과의 표현기법 및 동적 회화성 그리고, 서사의 구성 및 소재의 상징성을 기준으로 <Believe in the power of brands 2009>를 사례분석 한다. 본 연구를 통해 중국의 도가사상이 바탕이 된 수묵화의 미학이 CG 유체를 통해 형상의 생성과 소멸, 몽환적 형상의 표현, 그리고 동적인 농담효과를 통해 보다 환상적인 영상으로 구현됨을 알 수 있으며, 또한 발전하는 중국의 문화적 자부심 고양을 위한 홍보수단을 활용되고 있음을 알 수 있다. <Believe in the power of brands 2009>, produced using CG ink fluid effects, visualized China's ancient history, traditional culture and modern China. This production has won many international competitions in the area of advertisement and animation, such as the VDW Award 2010 - Best Animation. Where is Mama 1960 and The Cowboy's Flute 1963, produced in the form of cell animation of the 1960s, explored the artistic value of traditional ink painting, heralding the golden age of Chinese animation. After the 2000s, ink 3D animations were created along with the development of CG technologies, and in the recent times, the ink effects of fluid simulations have been adopted to game trailers and advertisements. In light of this, the present study addresses the expression techniques of traditional art and the artistic and technical characteristics of fluid simulations implemented in the new manner of ink aesthetics. First, a literature review is conducted while focusing on the artistic value of the ink paintings related to the ideology of Taoism and the expression techniques used in this genre. Secondly, the development process and production method of ink animation will be reviewed. Thirdly, the technical traits, production processes, and artistic significance of fluid simulations will be considered. Fourthly, ‘Believe in the power of brands 2009’ will be analyzed while focusing on the ‘hexagonal law’ consisting of six essential elements for the appreciation of the traditional paintings as written by Saihyu Xieghu, the expression techniques of fluid ink effects and dynamic art, and the narratives and symbolic meanings of the characters. As a result of this research, ink aesthetics based on Taoism in the form of fluid simulations is explored via fantastic images realized through the creation and extinction of shapes, dreamlike forms, and the dynamic ink-and-wash method.

유체 시뮬레이션의 격자 내 상세도 향상을 위한 와류 입자 혼합 기법

윤종철,홍정모,김창헌 (사)한국컴퓨터그래픽스학회 2008 컴퓨터그래픽스학회논문지 Vol.14 No.4

본 논문은 유체 시뮬레이션의 격자 내 상세도를 와류입자법(Vortex Particle Method)을 사용하여 향상시킬 수 있는 새로운 방법을 제안한다. 비압축 Navier-Stokes 방정식을 풀어낸 속도장(Velocity Field)으로 유체의 거시적인 움직임을, 와류입자법으로 생성한 와도장(Vorticity Field)으로 유체의 미세한 움직임을 표현한다. 이 기법은 고해상도 격자에서 선형시스템을 풀지 않기 때문에 고해상도 유체 시뮬레이션을 효율적으로 할 수 있고, 강한 난류 효과를 만들어 낼 수 있다. In this paper, we propose an efficient technique for improving the grid based fluid simulation by sub-grid visuals. The detailed turbulency generated efficiently by Vortex Particle Method are blended with the flow fields coming from the traditional incompressible Navier-Stokes solver. The algorithm enables large- and small- scale detail to be edited separately.

사례연구: 영화 '7광구'의 유체 시뮬레이션

김선태,이정현,김대영,박영수,장성호,홍정모 (사)한국컴퓨터그래픽스학회 2012 컴퓨터그래픽스학회논문지 Vol.18 No.3

In this paper, we describe a case study of the film 'Sector 7' which was produced by technologies applied fluid simulation. For the CG scenes in the movie which include highly detailed fluid motions, we used smoothed particle hydrodynamics(SPH) technique to express subtle movements of seawater from a crashed huge tank, and used hybrid simulation method of particles and levelsets to describe bursting water from a submarine's broken canopy. We also used detonation shock dynamics(DSD) technique for detailed flame simulations to produce a burning monster, the film's main character. At this point, the divergence-free vortex particle method was applied to conserve the incompressible property of fluids. In addition, we used an upsampling method to achieve more efficient video production. Consequently, we could produce the high-quality visual effects by using the domestic technologies. 본 논문에서는 영화 '7광구'에서 사용된 유체 시뮬레이션 적용 사례를 분석하고 구현된 기법들을 소개한다. 영화에 적용된 장면 중 상세한 유체 움직임을 표현하기 위하여 대형 수조에서 물이 터지면서 나오는 장면은 물의 미세한 움직임을 표현하기 위해 smoothed particle hydrodynamics(SPH) 기법을 사용하였고, 잠수정 유리를 깨고 바닷물이 쏟아지는 장면에서는 파티클과 레벨셋의 혼합 시뮬레이션 기술을 적용하였다. 영화의 주요 캐릭터인 괴물이 불타는 장면을 실감나게 연출하기 위해 높은 정교함을 보여주는 detonation shock dynamics(DSD) 화염 시뮬레이션 기법을 사용하였으며, 이때 높은 와동력을 가하더라도 유체의 비압축성을 유지하기 위해 무발산 와동 입자기법을 적용하였다. 또한, 효율적인 영상제작을 위해 업샘플링 기법을 사용하였다. 결과적으로 고품질의 영상을 국내 기술로 제작할 수 있었다.

이상적인 점탄성체 항복 조건을 이용한 폭발 시뮬레이션

성수경,김경수,신병석 한국게임학회 2014 한국게임학회 논문지 Vol.14 No.6

입자 기반 유체 시뮬레이션에서 유체와 완전탄성체의 중간 형태인 점탄성체는 유체와는 달리 물질의 변형에 대한 항복응력(yield stress)이 필요하다. 기존 입자 기반의 점탄성체 연구에서는 폰 미제스(von Mises) 항복조건을 사용해 점탄성체의 변형을 표현하였으나 폭발을 표현하지는 못하였다. 본 논문은 물체가 받는 수많은 방향의 힘을 계산해야 하는 폰 미제스의 항복조건과는 달리 최대 주응력과 최소 주응력의 차를 이용해 쉽게 근사 할 수 있는 트레스카(Tresca)의 항복조건을 변형한 이상적 점탄성체 항복조건을 제안한다. 폰 미제스의 항복조건을 쉽게 근사화하기 위해 물체가 받는 힘을 변형된 길이로 표현한 기존 입자 기반의 시뮬레이션과 달리, 본 논문은 트레스카의 항복조건을 바탕으로 2차원 물체가 힘을 받아 변형된 넓이를 주응력으로 가정한다. 가장 큰 힘을 받는 순간을 최대주응력, 가장 적은 힘을 받는 순간을 최소 주응력으로 근사 화하여 차이를 계산한다. 점탄성체의 경계면이 이상적 항복 조건 이상으로 줄어들 때 물체가 한계응력을 이기지 못하고 현실감 있게 폭발하는 과정을 표현할 수 있음을 확인하였다. In particle-based fluid simulation, the yield stress is required for the deformation of the viscoelastic material like gel. von Mises's yield condition has been proposed to implement deformation of viscoelastic objects, but did not express the explosion. Furthermore, von Mises's yield condition is hard to approximate. We propose an ideal yield condition for viscoelastic object that reference from Tresca's yield condition. Unlike conventional particle-based simulation approximate the external power by the deformed length of the object, this paper is approximate the external power by area of the object. We check up that explosion was realistic when a viscoelastic object is compressed under the ideal yield condition.

효율적인 유체 시뮬레이션을 위한 투영 단계에서의 멀티 코어 프로세서와 그래픽 프로세서의 병렬처리

김선태(Sun-Tae Kim),정휘룡(Hwi-ryong Jung),홍정모(Jeong-Mo Hong) 한국콘텐츠학회 2013 한국콘텐츠학회논문지 Vol.13 No.6

최근 영화나 CF등에 사용되는 컴퓨터 그래픽스(Computer Graphics, 이하 CG)분야의 유체 시뮬레이션에서는 CPU와 GPU를 혼합하여 사용하는 기술들이 소개되고 있다. 본 논문에서는 유체 시뮬레이션 수행을 위한 투영 단계에서 멀티쓰레드를 이용하여 기존의 CPU와 GPU 간의 작업을 순차적으로 수행하던 방식을 개선하여 CPU와 GPU 간의 작업을 병렬처리 방법을 제시하였다. 제시된 방법을 통해 많은 계산량을 필요로 하는 유체시뮬레이션의 효율성을 높일 수 있었다. In these days, the state-of-art technologies employ the heterogeneous parallelization of CPU and GPU for fluid simulations in the field of computer graphics. In this paper, we present a novel CPU-GPU parallel algorithm that solves projection step of fluid simulation more efficiently than existing sequential CPU-GPU processing. Fluid simulation that requires high computational resources can be carried out efficiently by the proposed method.

안정적이고 이방성한 빙결 모델링을 위한 암시적 비압축성 유체와 얼음입자간의 상호작용 기법

김종현 (사)한국컴퓨터그래픽스학회 2020 컴퓨터그래픽스학회논문지 Vol.26 No.5

In this paper, we propose a new method to stable simulation the directional ice shape by coupling of freezing solver and viscous water flow. The proposed ice modeling framework considers viscous fluid flow in the direction of ice growth, which is important in freezing simulation. The water simulation solution uses the method of applying a new viscous technique to the IISPH(Implicit incompressible SPH) simulation, and the ice direction and the glaze effect use the proposed anisotropic freezing solution. The condition in which water particles change state to ice particles is calculated as a function of humidity and new energy with water flow. Humidity approximates a virtual water film on the surface of the object, and fluid flow is incorporated into our anisotropic freezing solution to guide the growth direction of ice. As a result, the results of the glaze and directional freezing simulations are shown stably according to the flow direction of viscous water. 본 논문에서는 흐르는 물에 의해 빙결 시뮬레이션 되어 방향성이 있는 얼음 형태를 안정적으로 모델링 할 수 있는 새로운 방법을 제시한다. 제안하는 얼음 모델링 프레임워크는 빙결 시뮬레이션에서 중요한 얼음의 성장 방향에 점성이 있는유체의 흐름을 고려한다. 물 시뮬레이션 해법은 암시적 비압축성 유체 시뮬레이션에 새로운 점성 기법을 적용한 방법을이용하고, 얼음의 방향과 글레이즈(Glaze) 효과는 제안하는 비등방성한 빙결 해법을 이용한다. 물 입자가 얼음 입자로상태변화하는 조건은 습도와 물의 흐름에 따른 새로운 에너지 함수에 따라 계산된다. 습도는 오브젝트 표면의 가상 수막(Virtual water film)으로 근사되며, 유체의 흐름은 얼음의 성장 방향을 가이드하기 위해 우리의 비등방성한 빙결 해법에통합된다. 결과적으로 점성이 있는 물의 흐름 방향에 따라 글레이즈와 방향성 있는 빙결 시뮬레이션 결과를 안정적으로보여준다.