流体アニメーション

流体アニメーションとは、水や煙などの流体のリアルなアニメーションを生成するためのコンピュータグラフィックス技術を指します。 ^{[ 1 ]}流体アニメーションは通常、流体の定性的な視覚的挙動を模倣することに重点を置いており、厳密に正しい物理的結果にはあまり重点が置かれていませんが、実際の流体物理を支配するオイラー方程式やナビエ・ストークス方程式の近似解に依存することがよくあります。流体アニメーションは、映画や視覚効果のための時間のかかる高品質のアニメーションから、コンピュータゲームのようなリアルタイムアニメーションのためのシンプルで高速なアニメーションまで、さまざまな複雑さのレベルで実行できます。^{[ 2 ]}

流体アニメーションは、主に視覚効果のために使用されるのに対し、計算流体力学（CFD）は流体の挙動を科学的に厳密な方法で研究するために使用されるという点で、計算流体力学とは異なります。

ナビエ・ストークス方程式に基づく流体アニメーション技術の開発は、1996 年にニック・フォスターとディミトリス・メタクサス^{[ 3 ]が、1965 年のハーロウとウェルチによる科学的な CFD 論文[ 4 ]}を基に、コンピュータグラフィックスのコンテキストで 3D ナビエ・ストークス方程式の解を実装したことから始まった。それまでは、アドホック粒子システム^{[ 5 ]} 、高さ場などの低次元技術^{[ 6 ]}、半ランダム乱流ノイズ場^{[ 7 ]など、さまざまなより単純な方法が主に使用されていた。}

1999年、Jos Stamは「Stable Fluids」^{[ 8 ]}法を発表しました。この方法は、半ラグランジュ移流技術と粘性の暗黙的積分を利用して、無条件に安定した挙動を実現しました。これにより、より大きな時間ステップが可能になり、シミュレーションが高速化されました。この一般的な手法は、Ronald Fedkiwと共著者によって、より現実的な煙^{[ 9 ]}や火^{[ 10 ]} 、レベルセット法の変種を用いた複雑な3D水シミュレーション^{[ 11 ] [ 12 ]}を扱うように拡張されました。

この分野で著名な研究者には、ジェリー・テッセンドルフ、ジェームズ・F・オブライエン、ロン・フェドキウ、マーク・カールソン、グレッグ・ターク、ロバート・ブリッドソン、ケン・ミューセス、ジョス・スタムなどがいる。

多くの3Dコンピュータグラフィックスプログラムは、流体アニメーション技術を実装しています。RealFlowは、映画、テレビ番組、コマーシャル、ゲームなどの視覚効果制作に使用されているスタンドアロンの商用パッケージです。RealFlowは、流体暗黙粒子（FLIP、粒子セル法の拡張）ソルバー、ハイブリッドグリッド、および泡や噴霧などの高度な機能を可能にする粒子法を実装しています。MayaとHoudiniは、流体アニメーションを可能にする他の2つの商用3Dコンピュータグラフィックスプログラムです。

Blenderは、流体のアニメーションに粒子ベースの格子ボルツマン法を使用していたオープンソースの3Dコンピュータグラフィックスプログラムです^{[ 13 ]。} 2020年にオープンソースのmantaflowプロジェクトが統合され、幅広いNavier-Stokesソルバーのバリエーションが追加されました^{[ 14 ] 。}

• リアルフロー
• マヤ
• フーディーニ
• 物理ベースアニメーション

• RealFlowホームページ
• Blenderホームページ
• バークレー・コンピュータ・アニメーションのホームページ（2007年10月13日時点のアーカイブ）