流体計算によらないインタラクティブな流れ模様の生成技法

2024 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20K12534
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 鶴野 玲治 九州大学, 芸術工学研究院, 教授 (10197775)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 流れ模様 / コンピュータグラフィックス / 機械学習

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、CGにおける流体の生成・操作・編集を、ユーザーが直感的かつ視覚的に行えるようにする新たな技術基盤の構築を目的としたものである。従来のCG流体生成は、物理シミュレーションに基づく手法が主流であり、ナビエストークス方程式に従う逐次的かつ高負荷な数値計算を必要とする。これは初期条件を設定した後は計算結果を受け取るだけで、ユーザーの関与は限定的であり、また出力される情報は速度や圧力といった物理量であるため、非専門家にとっては理解・制御が難しく、流体表現をデザインの文脈で扱うことが困難であった。
本研究では「流体計算を用いない」「インタラクティブ」のために、三つの観点から新たなCG流体生成方法の開発を行った。第一に、流体中の渦の位置、サイズ、傾きなどの幾何学的特徴を局所的な二次形式近似により抽出する手法を開発した。これにより、従来の物理量ではなく視覚的・直感的な情報を用いた操作が可能となり、GUI上での流体操作の基盤を整えた。第二に、従来の逐次シミュレーションを行わず、ストローク線や障害物スケッチといった初期条件から、機械学習（GAN）を用いて瞬時に流体模様を生成する手法を提案した。これにより、低負荷かつリアルタイムでの流体生成が可能となり、一般的なPC環境でも快適な流体編集を実現した。第三に、汎用GUIツールに搭載された編集機能（塗りつぶし、ブラシ、選択・変形、消しゴムなど）と流体操作機能を対応させるインタラクティブな編集手法を構築した。これにより、ユーザーは一般的な曲線ストロークの操作のまま流体を自在に編集・デザインすることが可能になった。
これらの成果は視覚的・直感的・低負荷という三つの条件を満たす新たなインターフェースと基盤技術を提示するもので、今後は映像制作、インタラクティブアート、教育コンテンツなど幅広い応用分野での展開に寄与すると期待される。