간단한 유체 효과 구현하기

나이아가라를 사용하여 기본적인 유체 효과를 구현하면 게임이나 시뮬레이션에 더욱 사실적이고 역동적인 요소를 추가할 수 있습니다.

이 절에서는 파티클 기반 유체 시뮬레이션의 기본 원리와 구현 방법을 살펴보겠습니다.

유체의 기본 특성 시뮬레이션

점성 (Viscosity)

점성은 유체의 흐름에 대한 저항을 나타냅니다.

void ApplyViscosity(inout float3 Velocity, float3 NeighborVelocity, float Viscosity, float DeltaTime)
{
      Velocity += (NeighborVelocity - Velocity) * Viscosity * DeltaTime;
}

밀도 (Density)

밀도는 유체의 압력과 관련이 있으며, 파티클의 분포에 영향을 줍니다.

float CalculateDensity(float3 Position, float3 NeighborPositions[], int NeighborCount, float Radius)
{
      float Density = 0;
      for (int i = 0; i < NeighborCount; i++)
      {
         float Distance = length(Position - NeighborPositions[i]);
         Density += SmoothingKernel(Distance, Radius);
      }
      return Density;
}

표면장력 (Surface Tension)

표면장력은 유체 표면의 형태를 유지하려는 힘입니다.

float3 CalculateSurfaceTension(float3 Position, float3 NormalVector, float SurfaceTensionCoefficient)
{
      return NormalVector * SurfaceTensionCoefficient;
}

파티클 기반 유체 시뮬레이션의 기본 원리

파티클 기반 유체 시뮬레이션은 Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) 방법을 기반으로 합니다. 주요 단계는 다음과 같습니다.

이웃 파티클 검색
밀도 계산
압력 계산
힘 계산 (압력, 점성, 표면장력 등)
속도와 위치 업데이트

나이아가라에서의 구현 과정

파티클 초기화

void InitializeFluidParticle(out float3 Position, out float3 Velocity, out float Mass)
{
      Position = float3(rand(), rand(), rand()) * InitialVolume;
      Velocity = float3(0, 0, 0);
      Mass = ParticleMass;
}

이웃 검색

나이아가라의 그리드 기반 데이터 인터페이스를 사용하여 효율적으로 이웃을 검색합니다.

void FindNeighbors(float3 Position, out float3 NeighborPositions[], out int NeighborCount)
{
      // 그리드 기반 이웃 검색 로직
}

밀도 및 압력 계산

void CalculateDensityAndPressure(float3 Position, float3 NeighborPositions[], int NeighborCount, 
                                 out float Density, out float Pressure)
{
      Density = CalculateDensity(Position, NeighborPositions, NeighborCount, SmoothingRadius);
      Pressure = PressureConstant * (Density - RestDensity);
}

힘 계산 및 적용

void ApplyFluidForces(inout float3 Velocity, float3 Position, float Density, float Pressure, 
                        float3 NeighborPositions[], float NeighborDensities[], float NeighborPressures[], 
                        int NeighborCount, float DeltaTime)
{
      float3 PressureForce = CalculatePressureForce(Position, Density, Pressure, NeighborPositions, NeighborDensities, NeighborPressures, NeighborCount);
      float3 ViscosityForce = CalculateViscosityForce(Velocity, Position, NeighborPositions, NeighborCount);
      float3 SurfaceTensionForce = CalculateSurfaceTensionForce(Position, NeighborPositions, NeighborCount);
      
      Velocity += (PressureForce + ViscosityForce + SurfaceTensionForce) * DeltaTime;
}

위치 업데이트

void UpdatePosition(inout float3 Position, float3 Velocity, float DeltaTime)
{
      Position += Velocity * DeltaTime;
}

유체와 솔리드 객체 간의 상호작용

유체와 솔리드 객체의 상호작용은 주로 경계 조건 처리를 통해 구현합니다.

void HandleBoundaryCollision(inout float3 Position, inout float3 Velocity, float3 BoundaryNormal, float BoundaryDistance)
{
    if (BoundaryDistance < 0)
    {
        Position -= BoundaryNormal * BoundaryDistance;
        Velocity = reflect(Velocity, BoundaryNormal) * BoundaryDamping;
    }
}

유체의 렌더링 기법

메타볼 (Metaballs)

메타볼 기법은 부드러운 유체 표면을 표현하는 데 효과적입니다.

float CalculateMetaballValue(float3 SamplePoint, float3 ParticlePositions[], int ParticleCount)
{
      float Value = 0;
      for (int i = 0; i < ParticleCount; i++)
      {
         float Distance = length(SamplePoint - ParticlePositions[i]);
         Value += 1.0 / (Distance * Distance);
      }
      return Value;
}

메시 생성

마칭 큐브 알고리즘을 사용하여 유체 표면 메시를 생성할 수 있습니다.

void GenerateFluidMesh(const TArray<FVector>& ParticlePositions, UProceduralMeshComponent* MeshComponent)
{
      // 마칭 큐브 알고리즘 구현
}

다양한 유체 효과 구현

물방울

표면장력을 강조하여 구현합니다.

void UpdateWaterDrop(inout float3 Position, inout float3 Velocity, float SurfaceTensionStrength, float DeltaTime)
{
      float3 CenterForce = normalize(DropCenter - Position) * SurfaceTensionStrength;
      Velocity += CenterForce * DeltaTime;
}

물줄기

지속적인 파티클 생성과 중력을 조합합니다.

void EmitWaterStream(out float3 Position, out float3 Velocity, float3 EmitterPosition, float3 EmitterDirection)
{
      Position = EmitterPosition;
      Velocity = EmitterDirection * InitialStreamVelocity;
}

안개

낮은 밀도와 높은 확산율을 가진 파티클로 구현합니다.

void UpdateFogParticle(inout float3 Position, inout float3 Velocity, float DiffusionRate, float DeltaTime)
{
      float3 RandomForce = float3(rand() - 0.5, rand() - 0.5, rand() - 0.5) * DiffusionRate;
      Velocity += RandomForce * DeltaTime;
}

성능 최적화 전략

공간 분할

그리드 또는 옥트리 구조를 사용하여 이웃 검색을 최적화합니다.

GPU 가속

계산 집약적인 작업을 GPU에서 수행합니다.

적응형 시뮬레이션

중요도에 따라 파티클의 해상도를 동적으로 조정합니다.

LOD (Level of Detail) 시스템

거리에 따라 시뮬레이션 복잡도를 조절합니다.

현실적인 유체 효과를 위한 팁

물리 기반 파라미터 사용

실제 유체의 물리적 특성을 참조하여 파라미터를 설정합니다.

세부 효과 추가

거품, 물보라, 파장 등의 부가적인 효과를 추가합니다.

환경과의 상호작용

주변 환경(바람, 온도 등)이 유체에 미치는 영향을 고려합니다.

쉐이더 활용

고급 쉐이더 기법을 사용하여 유체의 시각적 품질을 향상시킵니다.

실제 적용 예시 : 분수 효과

다음은 나이아가라를 사용한 간단한 분수 효과의 구현 예시입니다.

struct FountainParticle
{
    float3 Position;
    float3 Velocity;
    float Lifetime;
    float Size;
};
 
void UpdateFountainParticle(inout FountainParticle Particle, float DeltaTime, float3 EmitterPosition)
{
    // 중력 적용
    float3 Gravity = float3(0, 0, -9.81);
    Particle.Velocity += Gravity * DeltaTime;
    
    // 위치 업데이트
    Particle.Position += Particle.Velocity * DeltaTime;
    
    // 지면 충돌 처리
    if (Particle.Position.z < 0)
    {
        Particle.Position.z = 0;
        Particle.Velocity = reflect(Particle.Velocity, float3(0, 0, 1)) * 0.8;
        
        // 물방울 생성
        if (length(Particle.Velocity) < 1.0)
        {
            Particle.Size *= 0.9;
            Particle.Velocity *= 0.9;
        }
    }
    
    // 표면장력 시뮬레이션 (물방울 형성)
    float3 ToCenter = EmitterPosition - Particle.Position;
    float Distance = length(ToCenter);
    float3 SurfaceTensionForce = normalize(ToCenter) * max(0, 5.0 - Distance) * 0.1;
    Particle.Velocity += SurfaceTensionForce * DeltaTime;
    
    // 크기 및 수명 업데이트
    Particle.Size *= 0.99;
    Particle.Lifetime -= DeltaTime;
    
    // 공기 저항
    Particle.Velocity *= 0.99;
    
    // 난류 효과
    float3 Turbulence = float3(
        sin(Particle.Position.x * 0.1 + DeltaTime),
        cos(Particle.Position.y * 0.1 + DeltaTime),
        sin(Particle.Position.z * 0.1 + DeltaTime)
    ) * 0.2;
    Particle.Velocity += Turbulence * DeltaTime;
}
 
void EmitFountainParticle(out FountainParticle Particle, float3 EmitterPosition)
{
    Particle.Position = EmitterPosition;
    float Angle = rand() * 2.0 * 3.14159;
    float Strength = 10.0 + rand() * 5.0;
    Particle.Velocity = float3(cos(Angle) * Strength, sin(Angle) * Strength, 20.0 + rand() * 10.0);
    Particle.Lifetime = 3.0 + rand() * 2.0;
    Particle.Size = 0.1 + rand() * 0.1;
}

이 예시에서는 분수에서 뿜어져 나오는 물 파티클의 움직임을 시뮬레이션합니다. 중력, 충돌, 표면장력, 공기 저항, 난류 등 다양한 물리적 요소를 고려하여 현실적인 움직임을 만들어냅니다. 또한 지면에 닿았을 때 물방울이 형성되는 효과도 포함되어 있습니다.

유체 효과 구현은 복잡하지만 매우 강력한 시각적 효과를 제공합니다. 기본 원리를 이해하고 나이아가라의 기능을 최대한 활용하면, 성능이 우수하면서도 현실적인 유체 시뮬레이션을 만들 수 있습니다. 다음은 이 효과를 더욱 개선하고 최적화하기 위한 몇 가지 추가 팁입니다.

파티클 수명 관리 수명이 다한 파티클을 효율적으로 제거하고 재활용하는 시스템을 구현하여 메모리 사용을 최적화합니다.
LOD 시스템 구현 카메라와의 거리에 따라 파티클의 복잡도와 수를 조절하여 원거리에서의 성능을 개선합니다.
GPU 가속 활용 파티클 업데이트 로직을 GPU에서 실행하여 대량의 파티클을 효율적으로 처리합니다.
메시 기반 렌더링 많은 수의 파티클을 개별적으로 렌더링하는 대신, 파티클 데이터를 기반으로 동적 메시를 생성하여 렌더링 성능을 향상시킵니다.
환경 상호작용 추가 바람, 온도 변화 등 환경 요소와의 상호작용을 추가하여 더욱 역동적인 효과를 만듭니다.

이러한 기법들을 조합하고 지속적으로 최적화하면, 나이아가라를 사용하여 고품질의 유체 효과를 효율적으로 구현할 수 있습니다. 실험과 반복을 통해 프로젝트에 가장 적합한 유체 시뮬레이션 방식을 개발하세요.

기본 물리 기반 파티클 시뮬레이션 파티클 시스템의 최적화 기법