Real-Time Volumetric Smoke Simulation for Games

Abstract

Fysisk basert røyk simulering har vært et forskningstema i flere tiår. Det er likevel ikke mange spill eller real-time applikasjoner som bruker det. Mesteparten av forskningen som blir gjort tar perspektivet at real-time er alt over 30fps i en simulasjonskontekst. Dette er ikke raskt nok for å bli implementert inn i spill som trenger å kjøre i over 60fps alene. For at en simuleringsmetode skal være nyttig for denne konteksten kan den ikke senke ytelsen til programmet for mye, eller har den ingen nytte. Denne oppgaven tar utgangspunkt i akkurat dette perspektivet, og har som mål å optimalisere metoden med disse kravene i tankene.

Vortex Particle Method ble valgt som metode for fluid simulering. To forskjellige solvers for fluid simuleringen ble undersøkt. En implementasjon basert på VorteGrid ble laget i CUDA med Half-Angle Slice volumetrisk illuminasjon. Hvordan rendre partikkel systemer på en effektiv måte ble undersøkt og eksperimentert med.

Physically-based smoke simulation has been a major research topic for the past two decades, yet not that many games or real-time applications make use of it. Most of the research is done from the perspective that real-time is anything above 30fps in a simulation context. This is not fast enough to be implemented into games that need to be able to run at more than 60fps by themselves. Any additional computation time can’t slow down the program too much, or the simulation is not useful. This thesis takes the perspective of optimizing an implementation for that purpose, with those requirements in mind.

The Vortex Particle Method was chosen as the method for simulating fluid flow. Two different solvers were experimented with and examined. An implementation based on VorteGrid was made in CUDA using Half-Angle Slice volumetric illumination. Efficient rendering of particle systems was experimented with and examined.