Fire SimulationBehanm AkbariDec 2014

Outline:

• Simulation & Fluid simulation.• Fire.• Fire simulation challenges.• Fire simulation categories.• Future direction of fire simulation.

Simulation:

• Simulation is  the  imitation  of  the  operation  of  a  real-world  process  or system  over  time  .  The  act  of  simulating  something  first  requires  that  a model  be  developed,  this  model  represents  the  key  characteristics  or behaviors/function of the selected physical or abstract system or process. 

• Usually based on the rules of our real world.• Some rules can be bent.• Some rules can be broken.

Fluid simulation:

• Fluid simulation,  or computational fluid dynamics , is  a computer graphics tool used  to generate  realistic animations of  liquids such as water and  smoke.  A  fluid  simulator  emulates  the  motion  of  a  described  fluid, making  use  of  the Euler  equations or Navier-Stokes  equations which describe the physics of fluids, or any simplified version of them. In computer graphics,  such  simulations  range  in  complexity  from  extremely  time-consuming high quality animations  for film & visual effects,  to  simple  real-time particle systems, or Fourier synthesis used in modern games.

Navier-Stokes equations:

More recently, there has been an interest in using fluid dynamics, described by the Navier-Stokes equation,to determine how the gas actually flows, and to create effects such as swirling and vortices which can often be seen in flames. The Navier-Stokes equation is a differential equation connecting the force, velocity, viscosity and pressure at each point within a fluid.

Fire:

A fire is a set of physical and chemical phenomena, which include combustion , fluid flows, and pyrolysis or evaporation. When the combustion occurs in the gas phase, the luminous part of the gas is called the flame.

Fire simulation challenges :

• How to show fire color.

• Another difficulty in fire animation is how to visualize fire and its lighting effects on the environment.

• It is the very turbulent nature of fire that makes it hard to produce a realistic imitation , especially in real-time.

Fire simulation in CCD and computer graphics:

CCD is an interdisciplinary discipline concerning fire simulation in computational physics. It replaces traditional experiments with numerical simulation for experimental verification. Fire simulation in computer graphics is for visual animation. Two fields share similar mathematical models and numerical routines.

Differences:•Different application fields.•Different numerical accuracy.•Different control strategy.•Different fire scenarios.

visual simulation of fire can be loosely classified into following taxonomy:

•Physically-based method.•Particle system based methods.•Noise-synthesized methods.•Data-driven method.• Geometry skeleton methods.

Physically-based method:

• Physically-based method  becomes  popular  in  past  decades.  Physical  and chemical models are developed to simulate the process of fire combustion. Light transportation and visual adaption models are also considered in the rendering phase.

• The fire elements.• Flame profile.• Hydrodynamic motion.• Chemical reaction.

Physically-based method:

Chiba and Takahashi respectively presented fuel-driven models to simulate propagating and animation of fire. Space is divided into grid cells and each cell contains a certain quantity of fuel and heat. A cell is ignited if the temperature reaches the specified flash point. Fire is rendered by drawing geometry primitives around particle trajectories. It causes artificial bumpy contours if particles are not adequate enough. 

Xmpl:

Maya method.

Particle system based methods:

A particle system is a group of individual particles. The particles are given simple rules that govern their interactions with each other and the surrounding environment.

Particle-based methods are easy to implement and have low computational overhead since they do not need to solve the underlying physical and chemical model.

 Besides, particles are not driven by physical model, the motion of flame does not follow real fire. Particle-based methods are suitable for applications without high visual quality requirements.

Particle system based methods:

Reeves was the first to model fire with particle systems. Fire was depicted by a particle system of two-level hierarchy, one to model spreading of fire and the other to simulate single explosion effect.

Noise-synthesized methods:

One distinguish feature of fire different from other fluid is its high fluctuation, which is due to the turbulence of underlying flow motion. According to the turbulence theory, these turbulent feature can be depicted with statistical model, which is usually implemented in a noise-synthesized way.

Perlin presented noise-synthesized approach to capture turbulent features of flames.

Data-driven method.There are several methods to simulate fire based on existing data, such as images from real scenarios or data set from third-part simulation software or experimental measurements.

Roberts presented an image-based method to model candle flame. The flame is simplified as a set of sphere balls. In atomographic method was advocated to reconstruct volume presentation from photographs of real fire.

Geometry skeleton methods:

Geometry primitives are the most suitable presentation for modern rendering pipeline in computer graphics. Several Geometry-based methods are proposed to simplify the simulation. Flame is modeled as time-variable geometry structures to depict its visual profiles, while the spreading of fire is modeled as contours propagation on geometry surface.

Inakage introduced a simple laminar flame

 model with textures mapped onto a flame

-like implicit primitives. The method has 

the drawback of dealing with multiple and 

animated flames.

Future direction of fire simulation:

• Feasible animation control.• Real-time rendering.• 2D HD & Mobile Device.