Fluids such as gases, fires, rains, and waters are essential parts for real-world scenes surrounding us. For the last two decades, visual fluid simulation has drawn great attentions in computer graphics. Well-developed techniques in computational fluid dynamics(CFD) have been adapted to creation of visual effects for feature films, television programs, and video games. Physically-based fluid animation is typically done by numerically solving the Navier-Stokes equations. In addition, a level set method is adopted to capture the time-varying interface between water and air.
In the thesis, we introduce an approach to fluid simulation, by combining existing techniques. We address three issues: computational efficiency, interface capturing, and image synthesis. For computational efficiency, an LBM (lattice Boltzmann method) is adopted as a numerical scheme for solving the Navier-Stokes equations. We adopt a stable LBM which can be applied to fluids of low viscosity. We also employ a unified method to handle a variety of boundary conditions. A diffuse-interface method is introduced to accurately capture the interface between multiphase flows. Unlike conventional level set methods, our method does not require a reinitialization process. Moreover, no fictitious particles are necessary for volume conservation.
Given a still picture, TIP (tour into the picture) generates a walk-through animation of a 3D scene reconstructed from the picture. We deal with water surface reflection while allowing foreground objects to move. Provided with a set of points on background objects and their corresponding points on the water surface, a non-linear optimization problem is solved for the 3D scene parameters with respect to the camera position, to automatically construct a reasonable 3D scene model. To synthesize a stream of reflected images on the water surface in accordance with the camera movement, we propose a novel image-based approach, which makes the best of the limited information available in the input picture. Furthermore, we incorporate water surface movement data acquired from water simulation on top of stochastic motion texture for objects such as trees and plants, to create a dynamic scene.
가스, 불, 비, 물등의 유체는 우리를 둘러싸고 있는 실세계 장면 표현을 위해 필수적인 요소이다. 지난 이십년간 시각적 유체 시뮬레이션은 많은 관심을 끌어왔다. 전산유체역학에서 개발된 첨단 기술들은 영화, 텔레비젼 프로그램, 비디오 게임등에서의 시각 효과 제작을 위해 도입되었다. 물리기반 유체 애니메이션 방법은 일반적으로 나비어-스톡스 방정식(Navier-Stokes equation)을 수리적으로 계산함으로써 유체 운동을 시뮬레이션한다. 추가로, 시간에 따라 변하는 물과 공기사이의 경계를 포착하기 위해 레벨셋 방법이 도입된다.
우리는 본 학위논문에서 기존의 기술들을 결합함으로써 새로운 유체 시뮬레이션 방법을 제안한다. 우리는 계산 효율성, 경계 포착, 이미지 합성의 세가지 이슈를 다룬다. 계산 효율성을 위해, 나비어-스톡스 방정식에 대한 수치 방법으로써 격자 볼츠만 방법(lattice Boltzmann method)이 도입된다. 우리는 점성이 낮은 유체에 적용할수 있는 안정적인 격자 볼츠만 방법을 채택한다. 또한, 다양한 경계 조건을 다루기 위한 통합된 방법을 이용한다. 다상 유동사이의 경계를 정확히 포착하기 위해 확산-경계 방법(diffuse-interface method)이 도입된다. 이 방법은 일반적인 레벨셋 방법과 달리 재초기화 작업을 요구하지 않는다. 더욱이, 부피 보존을 위한 가상의 파티클들도 필요하지 않다.
주어진 한 장의 사진에 대해, 그림속으로의 여행 기법(tour into the picture)은 사진으로부터 재구성된 3차원 장면의 워크스루(walk-through) 애니메이션을 제작한다. 우리는 전경 물체가 움직이도록 하는 동시에 수면 반사를 다루도록 그림속으로의 여행 기법을 일반화한다. 후경상의 점들과 수면상의 대응점들이 주어졌을 때, 합당한 3차원 장면 모델을 자동으로 구성하기 위해, 카메라 위치에 따른 3차원 장면 파라미터들을 찾기위한 비선형 최적화 문제를 푼다. 카메라의 움직임에 따른 수면상의 반사 이미지를 합성하기 위해, 입력 사진에서 주어지는 제한된 정보를 가장 잘 이용하는 새로운 영상 기반 접근법을 제안한다. 또한 동적 장면을 생성하기 위해 나무, 풀과 같은 객체에 대한 통계적 모션 텍스쳐(stochastic motion texture) 위에 물 시뮬레이션으로부터 얻어진 수면 움직임 데이터를 결합한다.
