リアルタイム水シミュレーションが前例のない詳細さを実現

• 現実的な水波シミュレーションと効率的計算のギャップを埋める新モデル。
• 異なる物理パラメータで波をエンコードし、大解像度で微細ディテールをシミュレート。
• ゲーム、映画、VRプログラムの能力向上に活用可能。

既存の水・波シミュレーション手法は、現実的なエフェクトか高速計算のいずれかのみを提供でき、両方を同時に最適化できません。移動物体との相互作用や、環境相互作用を担う有限要素法が欠けています。

現在、オーストリア科学技術研究所とNVIDIAの研究者たちが、周囲との複雑な相互作用をリアルタイムで再現することでこのギャップを埋める新技術を開発しました。

障害物との波の相互作用をシミュレートしながら微細ディテールを保持し、非常に大規模なシーンに対応できます。このシミュレーションは、ノイズの多い波源（カオティックな風、水しぶき、浮遊物質）に適したジッタードフェーズで、低解像度でも高周波波の集合運動を特徴とします。

仕組み

既存波シミュレーション技術は「数値法」または「フーリエベース法」を使用します。数値法は詳細な多様なエフェクトを生成できますが、フーリエベース法の方が計算リソースを少なく使い効率的です。これらの手法で、環境相互作用を伴うキロメートル級の詳細シーンを生成することはほぼ不可能です。

波の計算速度を向上させるため、新モデルは波の運動量と高さを各点で離散化する代わりに、波振幅を方向と周波数の関数として離散化します。

リアルタイムアニメーションフレーム | Credit: Stefan Jeschke

チームは、周波数、方向、空間を組み合わせた関数として波振幅を離散化するウェーブレット変換を作成しました。結果として得られる変数は空間上で緩やかに変化し、従来手法で使用される波高関数と同量のデータを、より少ない変数で表現します。

さらに、Nyquist限界のような従来の周波数ベース制約に対して感度が低く、最大空間周波数をステップサイズとグラフィックディテールに変換します。したがって、この手法は局所波相互作用と高解像度波ディテールの両方を可能にします。

これらの局所周波数ベース振幅を空間伝播させる新方程式を作成しました。方程式は単純な2次元拡散と移流操作を出力し、グラフィックスハードウェア上で並列実装可能です。

参照：ASL DL | doi:10.1145/3197517.3201336 | IST Austria

拡張と応用

研究者たちは、双方向固体-流体結合や事前設計波パスなど、いくつかの基本的シミュレータ拡張を開発しました。また、「wave-painter」と呼ばれるツールを設計し、描画ソフトのブラシのように機能します。

アーティストが自然（スクリプトモーションによる物理）を上書きし、カスタムシーンを容易に作成できます。例えば、特定位置の波高を上げるためにこのツールを使用できます。

これらのシミュレーションは容易に設定でき、海洋や河川のような常に変化する環境での水の流れをモデル化できます。このモデルは、ゲーム、映画、バーチャルリアリティプログラムの能力をシンプル化し拡張することもできます。

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研究者たちは、より一般的な高さベース分散関係を扱うよう作業を拡張する計画で、浅瀬近くでさらに優れた屈折効果を生み出せるようになります。