炎を表現する

　今回は「炎」をモデリングしてみようと思います。

　流体力学とかで計算するパーティクル等に挑戦する訳ではなくて、それっぽく見えるように何とな〜くモデリングします（１＾＾；）。

炎のモデリング

　炎が燃える様子や、アニメマンガなどの炎の表現などを観察しながら、以下の様に分析・モデル化してみました。

• ゆらゆらと立ち上る炎を正弦波で表現する。
• 火が燃えると、その熱で上昇気流を生じ、空気が上昇します。
• 多分、周りの空気との相互作用で渦を巻きながら上昇するので、それに伴って炎がゆらゆらと揺れます。
• 舞台など、火を使えない所で炎を表現する時には、複数のリボンなどを風でゆらゆらとはためかせ、赤い光を当てるなどして表現します。
• この「ゆらゆら」という動きを単純化して、正弦波を使おうと思います。
• パーティクル(粒子)ではなく、目視可能なサイズの球体で表現する。
• 火点付近では大きめな半径で赤い球体だったものが、立ち上るにつれて小さく、黄色っぽくします。
• ガスバーナーなど、完全燃焼させた青白い炎ではなくて、焚き火などの赤っぽい炎を作ります。
• 最終的には、球体 →メタボールに置き換えて、レイトレーシングしようと思います。
• 火点の中心付近へ向けて集まって行く。
• 火点に近い中央部の温度が一番高いので、上昇気流も一番大きくなります。
• このため、火の周辺部より、中心付近の方が風の流れ(上昇気流)が大きく、中心に引き寄せられるように炎が集まります。
• 集まる点を火点中心からずらすと、風に吹かれたように炎がなびきます(応用)。
• 正弦波の位相や周期、振幅、寿命などをランダム(一様乱数)に決定して、炎のモデリングとする。

　このモデルに従って、5個の部品を描画してみました(下図)。



　たったの5個なので、まだ「ミミズが這った」様にしか見えないのですが、これで数を増やして行ったら、それらしく見えるのではないかと思います。試しに2Dグラフィックで作成してみた動画を以下にリンクします。



　最後にリンクするデータ２）で作成した動画です。単純な正弦波だけでモデリングしたにしては、それらしく見えませんか？
　上の動画で、球体数400個です。

炎が存在するシーン

　モデリングした炎が不自然ではないシーン全体をモデリングしていきます。キャンプなどで焚き火をしている様子が良さそうです。

　キャンプ場によっては、地面に直に薪を置いて焚き火することが禁止されている場所もあるらしい(fromゆるキャン△情報)ので、キャンプ道具のファイアスタンドを作ります。ファイアスタンドの中に、薪を丸く山の様に積んで、そこに火を灯し、焚き火を表現します。

　前節でモデリングした炎の頭頂部付近に、見えない局所光線源を設置して、炎の光で辺りが照らされ、影がゆらゆらと揺れる様子を表現したいと思います。
　読み込んだ座標データによって、炎を表現する球体を配置して行きますが、この時、各球体の座標値の平均と、一番高い位置に配置した球体の高さを記憶しておき、この座標値を使って、局所光線源の座標にゆらぎを持たせることで表現します。

完成データ

　完成したデータをリンクしておきます。

　１）で、焚き火をモデリングしたレイトレーシングを実行します。１）の実行には、２）で生成した座標ファイルが必要となりますので、先に２）を実行して、座標ファイルを生成しておく必要があります。３）はマッピングデータで、１）から読み込んで使います。
　２）を実行する時、先頭付近の変数に「var　save_avi=true;」を設定しておくと、2D版で試行した動画を生成することが出来ます。

　完成した動画を以下にリンクしておきます。



　ランダムに球体を発生させているので、一部を切り出した動画は、本来互いに繋がりません。
　上の動画では、レイシレーシングして作成した10秒の動画を最後まで再生した後で、適切な時間に巻き戻して繰り返しています。このため、巻き戻ったタイミングで一瞬不自然につながる個所が存在するのですが、気が付きましたか？注意深く見て居ると気が付くかも？です。
　一応、つなぎ目は前後1秒ほど重ねてブレンドしてあるので、違和感は最小限で繋がっているはずです。