화학 반응식을 이용한 폭발 및 화염의 애니메이션 기법 : Realistic Animation Techniques for Explosions and Flames through Chemical Kinetics
- 발행기관 서강대학교 대학원
- 지도교수 임인성
- 발행년도 2006
- 학위수여년월 200608
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 컴퓨터학
- 식별자(기타) 000000103064
- 본문언어 한국어
초록/요약
컴퓨터 그래픽스에서 물, 불, 연기, 폭발 등의 자연 현상은 장면의 사실성을 높이기 위한 매우 유용한 특수 효과이며 이를 위해 유체 역학 분야에서 널리 사용되는 Navier-Stokes 방정식을 이용한 유체 시뮬레이션 기법이 다양하게 연구되어왔다. 그 중 폭발이나 화염과 같은 유체의 시뮬레이션은 강렬한 시각적 효과를 얻을 수 있는 유용한 특수 효과임에도 불구하고 수치적 불안정성이나 유체의 압축성 등으로 인해 다양하게 연구되지 못했던 것이 사실이다. 본 논문에서는 사실적인 폭발 및 화염의 시뮬레이션을 위해 기존의 유체 시뮬레이션 기법을 확장하여 화학 반응식을 이용한 반응적인 가스의 시뮬레이션 기법을 구현하였다. 이 기법에서는 물리 기반의 정확한 화학 반응을 계산하기 위하여 화학 반응 속도론의 여러 이론들을 유체 시뮬레이션에 적용하였으며 다양한 애니메이션을 통해 그 우수성을 보였다. 또한 폭발이나 화염과 같은 유체의 효과적인 시뮬레이션을 위해 파티클과 격자점을 동시에 사용하여 기존의 방법보다 효과적인 시뮬레이션이 가능하도록 하였다. 이러한 사실적인 유체 시뮬레이션 기법과 더불어 사실적인 렌더링 기법은 고품질의 애니메이션 제작에 매우 중요한 요소이다. 본 논문에서는 폭발이나 화염 등의 뜨거운 유체를 렌더링하기에 적합한 포톤 매핑기반의 렌더링 기법을 구현하여 보다 사실적인 애니메이션을 구현할 수 있도록 하였다. 본 논문에서 제안한 시뮬레이션 기법과 렌더링 기법은 다양한 물리 기반 유체 시뮬레이션을 위해서 유용하게 사용될 수 있을 것이며 향후 큰 부가 가치를 가질 것으로 예상되는 다양한 디지털 콘텐츠 제작에 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
more초록/요약
When expressing natural phenomena such as water, smoke, flame, and explosion, various physically-based numerical simulation techniques have been used by computer graphics community to authenticate the reality of a scene. In order to realize these kinds of visual effects, numbers of previous research have tried to develop realistic fluid animation techniques by exploiting the Navier-Stokes equations which are generally used in CFD (Computational Fluid Dynamics) area. In particular, explosive fluids such as flames and explosions are very useful to generate impressive visual effects. However, little work has been done on these kinds of fluids because of the numerical unstability and the compressibility of the fluids. In this thesis, we extend the existing fluid animation technique by exploiting the theory of chemical kinetics to account for a variety of chemical reactions that are generally found in most of motions in flames and explosions. This research also presents a hybrid simulation scheme in which both the Eulerian grid-based system and the Lagrangian particle system are combined to create a variety of interesting explosion effects. And we present an intuitive control technique to adjust the speed of combustion and explosion. In addition to the simulation methods mentioned above, we also propose a new rendering technique for realistic visualization of high temperature gaseous fluids based on the photon mapping method. The proposed simulation and rendering techniques will be utilized to generate realistic visual effects. In turn, we prospect that these techniques can contribute to add values to various digital contents with improved image quality.
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