Natural Phenomena



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西田は1970年来,40年間ものCG研究を行っており、研究分野 (右 図参照）はかなり 広いがそのなかでもRenderingl関係で特に自然現象natural phenomenaの可視化に関する研究を紹介する。ここでは、1987年以後30年間近く研究してきたＣＧによる自然景観、自然物、自然現象（地形、地 球、太陽、砂漠、雲、空、雪、雷、海面、大気の効果、太陽）の表示法（SIGGRAPH論文　8件以上を含む）を紹介する。我々のグループは先駆的にこの分野の研究を開始したのみでなく、世界で最も広範な分野で多数の論文を発表してきてい る。
なお、散乱光、 流体も自然現象の計算法の要素なので、このページと共通の画像がある。

　 他の研究　< Radiosity | Soft shadow | Bezier Clipping | Light Scattering | Natural phenomena |Fluid dynamics |  NPR | CGhistry, Topics, > 　
研究分野



ＣＧにおける自然物とは


自然物を考える場合、人工物でないものを言うこともある。また、生物や 植物を除く場合もある。したがって、一般に自然物とは、地形、山、地球、川、海、砂 漠、太陽などを考える。また自然現象と言えば、霞、雨、雪、雲、雷、台風、火山の噴火など気象現象に関するものを考える。　
　ＣＧ分野では、地形といえばフラクタルによる山岳の生成が代表的である。最近では、ハリケーン、津波、土砂崩れ、洪水などを扱う映画も多い。

　西田は、最初に自然景観の表示や煙の表示法を発表し、地形、地球、大気の散乱効果、雲の表現、水の光学的効果、流体などかなり広範囲の自然を扱うＣＧ技 法を発表してきている。


SIGGRAPH'86：　自然物というよりＣＧと写真のモンタージュであるが、霞の効果を表現している。これは実測に基づき距離と霞のスペクトルの変化 の関係 を分析して、可視化したものである。左上が元の写真で、左下図は霞の効果を増やしたもので、右下図は霞を取り除いたものであり。単にＣＧと写真の合成とい うのではなく、気象条件を変えた画像を生成できる。


SIGGRAPH'89　地形モデル。等高線表現された地図と航空写真から3次元地形モデルを生成する方法を提案した。現地に行かなくても新規建造物(こ の場合は実際に設計された変電所）を地 形モデル上に作成でき、アニメ＾ションも作成できる。




PG'00；　 砂漠の風紋を、風の方向や強さから自動生成される地形モデル。

上の表のように、1986年ごろから多方面の自然景観、自然現象に関する研究を行ってきた。

地形、天空光、大気散乱に関する西田らの論文(1993-）

  1. T. Nishita, Y. Dobashi, E. Nakamae,"Display of Clouds Taking into Account Multiple Anisotropic Scattering and Sky Light," Proc. of SIGGRAPH'96, 1996-8, pp.379-386.
  2. T. Nishita, E. Nakamae, "Method of Displaying Optical Effects within Water using Accumulation-Buffer," Proc. of SIGGRAPH'94, 1994-7, pp.373-380
  3. T. Nishita, T. Shirai, K. Tadamura, E. Nakamae, "Display of The Earth Taking into account Atmospheric Scattering," Proc. of SIGGRAPH'93, 1993-8, pp.175-182
  4. K. Kaneda, F. Kato, E. Nakamae, T. Nishita, H. Tanaka, T. Noguchi, "Three-Dimensional Terrain Modeling and Display for Environmental Assessment," Computer Graphics, Vol.23, No.3, 1989-8, pp.207-214.
  5. Y. Dobashi, K. Kaneda, H. Yamashita, T. Nishita, "Method for Calculation of Sky Light Luminance Aiming at an Interactive Architectural Design," Computer Graphics Forum, Vol.15, No.3, 1996-9, pp. 112-118
  6. Y. Dobashi, K. Kaneda, E. Nakamae, H. Yamashita, T. Nishita, K. Tadamura, "Skylight for Interior Design," Computer Graphics Forum, Vol.13, No.3, 1994-9 pp.85-96.
  7. K. Tadamura, E. Nakamae, K. Kaneda, M. Baba, H. Yamashita, T. Nishita, "Modeling of Skylight and Rendering of outdoor Scenes," Computer Graphics Forum, Vol.12, No.3, 1993, pp.189-201.





大気、雲、煙などの表示
雲に関して、cloud slide from Ken Perlin's 1996　と書いてあ るのもあるが、下記のように我々はかなり初期段階から研究している。

自然物のＣＧとして最初に手掛けたのは、煙の散乱光計算、空や雲の色。前者は論文発表し、後者の雲と空の色に関してはＳＩＧＧＲＡＰＨのエレクトリックシ アターに1987年、1988年と採択された。
　　
SIGGRAPH 1987　煙の散乱光表示　(SIGGRAPH 裏表紙に掲載）　"A Shading model for Atmospheric Scattering Considering Luminous Intensity Distribution of Light Sources"　光源の分布特性を考慮した光跡の表示。煙の影の効果も計算している。

 　
SIGGRAPH 1987 ET(エレクトリックシアター) ；　散乱光の計算による雲と空の色の変化のアニメーション　CG Town(動画）


　 SIGGRAPH 1988；　太陽の位置により、空と雲海の色が変化するアニメーション　The Sky  (動画）


1991年に地上から見た空の色の計算法を提案（1987年にKlassenが最初に空の色の計算法を発表したいたが、その学会誌が日本に 届くのに時間がかかり、引用できず、不採録になり、対策したものが1991年に採択）。 空の色は太陽の方向で決まる。太陽の大気の通過距離に依存して大気中の粒子の散乱・吸収によってきまります。


SIGGRAPH 1993：　地球大気の空気分子の散乱光のスペクトルの変化を計算して大気の色を計算する。査読者が実写との比較を要求したので、当時日 本の唯一の宇宙飛行士の毛利さんにお会いし、多くのスライドを見せてもらった。　(地球の全景はSIGGRAPH 裏表紙に掲載）
　　
Pacific Graphics 1995 　基底関数を使用した高速の空の色計算


雲の色の計算には、太陽光、天空光からの光の多重散乱、、地上からの反射光

SIGGRAPH 1996 ；　雲の中の粒子間の多重散乱まで考慮して雲の色を計算

　
Pacific Graphics'96 ：多重散乱による空の色(太陽の高度を指定すると空の色を計算）


SIGGRAPH 2000(土橋筆頭論文）: 雲の動きのショミュレートおよび散乱計算で雲の色や大気中の光跡を計算
　
PG'01

ＰＧ 2001；　上昇気流と湿度との関係を利用し、雲の生成過程をシミュレートする方法を発表


(土橋筆頭論文）： 人口衛星ひまわりからの画像を入力すると3次元雲を生成する


ＰＧ 2001(土橋筆頭論文）：　稲光により大気や雲の粒子の散乱光を計算


火山の爆発のシミューションおよび煙の可視化


ieej (2004)

IIEEJ (2004)

NicographInternational 2005

CASA 2006

SIGGRAPH 2008（土橋筆頭）：　雲の輪郭をしていするとそれに準じた雲形状を自動生成

SIGGRAPHAsia 2010 で発表した"Unbiased, Adaptive Stochastic Sampling for Rendering Inhomogeneous Participating Media"(楽）


SIGGRAPHAsia 2010(楽筆頭）； 世界遺産になった富士山（雲や空の色は大気散乱計算）

SIGGRAPHAsia 2012(土橋筆頭）　Inverse Approach for Adjusting Parameters for Rendering Clouds Using Photographs

ＣＧの歴史上重要な技術の開発と受賞者(SIGGRAPH S.A.Coons賞など）との関係




大気、雲、水などの多くの自然物は粒子で構成されている。粒径と自然現象との関係


煙はＳＩＧ 1987で発表し、以来多くの雲などの論文を発表。


雲の生成は、手続き型での生成、物理則に基づく生成、イメージベースの方法がある。
雲の生成過程

散乱光の計算
西田らの自然物関係の論文；

Yoshinori Dobashi, Wataru Iwasaki, Ayumi Ono, Tsuyoshi Yamamoto, Yonghao Yue,Tomoyuki Nishita, "An Inverse Problem Approach for Automatically Adjusting the Parameters for Rendering Clouds Using Photographs," ACM Transactions on Graphics (Proc. SIGGRAPH Asia 2012), Vol.31, No.5, Article 145, 2012-12   

Yonghao Yue, K. Iwasaki, Bing-Yu Chen, Y. Dobashi, T. Nishita, "Unbiased, Adaptive Stochastic Sampling for Rendering Inhomogeneous Participating Media" ACM Transactions on Graphics (Proc. SIGGRAPH Asia 2010), Vol.29, No.5, Article 177, 2010-12

Y. Dobashi, K. Kusumoto, T. Nishita, T. Yamamoto, "Feedback Control of Cumuliform Cloud Formation Based on Computational Fluid Dynamics", ACM Trans. on Graphics, Vol. 27, No. 3, (Proc. SIGGRAPH2008), Article 94. 2008-8

Y. Dobashi, K. Kaneda, H. Yamashita, T. Okita, T. Nishita "A Simple, Efficient Method for Realistic Animation of Clouds," Proc. of SIGGRAPH'2000, 2000-7, pp.19-28

T. Nishita, Y. Dobashi, E. Nakamae,"Display of Clouds Taking into Account Multiple Anisotropic Scattering and Sky Light," Proc. of SIGGRAPH'96, 1996-8, pp.379-386.   

T. Nishita, E. Nakamae, "Method of Displaying Optical Effects within Water using Accumulation-Buffer," Proc. of SIGGRAPH'94, 1994-7, pp.373-380.

T. Nishita, T. Shirai, K. Tadamura, E. Nakamae, "Display of The Earth Taking into account Atmospheric Scattering," Proc. of SIGGRAPH'93, 1993-8, pp.175-182.

K. Kaneda, F. Kato, E. Nakamae, T. Nishita, H. Tanaka, T. Noguchi, "Three-Dimensional Terrain Modeling and Display for Environmental Assessment," Computer Graphics, Vol.23, No.3, 1989-8, pp.207-214.

E. Nakamae, K. Harada, T. Ishizaki, T. Nishita, "Montage : The Overlaying of The Computer Generated Image onto a Background Photograph," Computer Graphics, Vol.20, No.3, 1986-8, pp.207-214.

雲、砂, 粒子による散乱

  1. Y. Dobashi, K. Kaneda, H. Yamas!!hita, T. Okita, T. Nishita "A Simple, Efficient Method for Realistic Animation of Clouds," Proc. of SIGGRAPH'2000, 2000-7, pp.19-28
  2. Y. Dobashi, Y. Enjyo, T, Yamamoto, T. Nishita "A Fast Rendering Method for Clouds Illuminated by Lightning Taking into Account Multiple Scattering," The Visual Computing, (Proc. CGI) , pp.?-?, 2007-5
  3. Y. Dobashi, T. Yamamoto, T. Nishita, "A Controllable Method for Animation of Earth-scale Clouds," Proc. of CASA2006, pp.43-52, 2006-7
  4. T. Ishikawa, R. Miyazaki, Y. Dobashi, T. Nishita, "Visual Simulation of Spreading Fire" Nicograph International'05, pp.43-48, 2005-4
  5. K. Onoue, T. Nishita, "An Interactive Deformation System for Granular Material",Computer Graphics Forum, vol. 24, no. 1, pp.51-60(10), 2005-3,
  6. K. Iwasaki, T. Yanagita, Y. DOBASHI, T. Nishita, "A Calculation of Multiple Scattering Using Scattering Maps and An Efcient Method for Rendering Sky,” Journal of IIEEJ, Vol.33, No.4, 2004-8(in Japanese)
  7. K. Onoue, T. Nishita, "Animating spattering granular material using Distinct Element Method ” Journal of IIEEJ, Vol.33, No.4, pp.523-530, 2004-8 (in Japanese)
  8. R. Miyazaki, Y. Dobashi, T. Nishita, "An Efficient Cloud Visual Simulation Using Adaptive Grid Method" The IECE transaction on informetion and systems, Vol.J87-D-2, No.9, pp.1814-1822, 2004-9 (in Japanese)
  9. R. Miyazaki, Y. Dobashi, T. Nishita, "A Fast Rendering Method of Clouds Using Shadow-View Slices" Proc. CGIM 2004, pp.93-98, 2004-8
  10. N. Max, G. Schussman, R. Miyazaki, K. Iwasaki, T. Nishita, "Diffusion and Multiple Anisotropic Scattering for Global Illumination in Clouds", Journal of WSCG, Vol.12, No. 1-3, pp.277 , 2004-3
  11. R. Mizuno, Y. Dobashi, T. Nishita, "Modeling of Volcanic Clouds using CML" JOURNAL of Informaton Science and ENGINEERING, 2004-3, pp.219-232
  12. K. Onoue, T. Nishita, "Virtual Sandbox," Proceedings of IEEE 2003 Pacific Conference on Computer Graphics and Applications (PG003), pp.252-259, 2003-10
  13. R. Mizuno, Y. Dobashi, B.-Y. Chen, T. Nishita, "Physics Motivated Modeling of Volcanic Clouds as a Two Fluids Model," Proceedings of IEEE 2003 Pacific Conference on Computer Graphics and Applications (PG003) pp.434-439, 2003-10.
  14. R. Mizuno, Y. Dobashi, T. Nishita, "Volcanic Smoke Animation using CML," Proc. International Computer Symposium 2002 (ICS2002), Vol.2, pp.1375-1382, 2002-12.
  15. Y. Dobashi, T. Nishita, T. Yamamoto, "Interactive Rendering of Atmospheric Scattering Effects Using Graphics Hardware," Proc. Graphics Hardware 2002, pp.99-108, 2002-9
  16. Y. Dobashi, T. Yamamoto, T. Nishita, "Efficient Rendering of Lightning Taking into Account Scattering Effects due to Clouds and Atmospheric Particles," Pacific Graphics 2001, pp.390-399, 2001-10
  17. Y. Dobashi, T. Nishita, T. Yamamoto, "An Accurate, Fast Method Using Graphics Hardware for Rendering Shafts of Light," The Journal of The Institute of Image Information and Television Engineers, Vol.55, No.7, pp.362-370, 2001-7 (in Japanese)
  18. Y. Dobashi, T. Yamamoto, T. Nishita, "Interactive Rendering Method for Displaying Shafts of Light," Pacific Graphics 2000, pp.31-37, 2000-10
  19. K. Onoue, T. Nishita, "A Method for Modeling and Rendering Dunes with wind-ripples," Pacific Graphics 2000, pp.427-430, 2000-10

煙、液体

  1. Y. Dobashi, Y. Matsuda, T. Yamamoto, T. Nishita, "A Fast Simulation Method Using Overlapping Grids for Interactions between Smoke and Rigid Objects," Computer Graphics Forum (Proc. EUROGRAPHICS 2008), Vol.27, No., pp.. 2008-4
  2. Y. Dobashi, T. Yamamoto, T. Nishita, "Synthesizing Sound from Turbulent using Sound Textures for Interactive Fluid Simulation, "Computer Graphics Forum (Proc. EUROGRAPHICS 2004), Vol.24, No.3, pp. 539-546. 2004-9,
  3. Y. Matsuda, T. Dobashi, T. Nishita, "Fluid Simulation by Particle Level Set Method with an Efficient Dynamic Array Implementation on GPU," IEVC2007, 2007-11
  4. Yoshitaka Moro, Kei Iwasaki, Yoshinori Dobashi, Tomoyuki Nishita, "Real-time Particle-based Simulation on Surface Flow," Journal of ITE, 2007-10 (in Japanese) Vol.61, No.10, pp.1457-1462
  5. Y. Dobashi, S. Hasegawa, M. Kato, M. Sato, T. Yamamoto, T. Nishita, "A Fluid Resistance Map Method for Real-time Haptic Interaction with Fluids," Proc. ACM Symposium Virtual Reality Software and Technology (VRST) , pp. 91-99, 2006-11
  6. K. Onoue, T. Nishita, "An Efficient Method for Displaying Marks on Soft Grounds Created by Objects," Journal of IIEEJ, Vol.32, No.4, pp.328-335, 2003-7 (in Japanese)
  7. R. Miyazaki, S. Yoshida, Y. Dobashi, T. Nishita, "A Method for Modeling Clouds based on Atmospheric Fluid Dynamics,” Pacific Graphics 2001, pp.363-372, 2001-10
  8. S. Yoshida, T. Nishita, "Modelling of Smoke Flow Taking Obstacles into Account," Pacific Graphics 2000, pp.135-144, 2000-10


自然現象の技法紹介サイト；
http://vterrain.org/Atmosphere/
雲の表示の技法紹介サイト；
http://vterrain.org/Atmosphere/Clouds/

西田の地球大気の論文を引用してる書籍

海 の表示

水の色に関しては、1991年に最初に解析解で色計算できる方法を発表した。
SIGGRAPH 1994：　水中の光学的効果（水の色、光跡や集光効果）の計算　(SIGGRAPH 裏表紙に掲載）　

PG 2001： GPUを利用し水中の光跡のリアルタイム表示が実現

風速からフリー変換で海の波を再現　　
　
VG 2003(岩崎）：　雲や海水中の粒子の多重散乱を考慮した色の計算

　
CGF 2010(岩崎）：　つららなど氷の溶解シミュレーション

IEVC 2014（石川）；　氷結のショミュレーション
水の色に関してはA1991年に最初に発表した。


水面上、水面下での光学的効果

宇宙の自然物の表示

(石川）：　太陽のプロミネンスをプラズマの効果から計算


SCCG 2011(石川）  ：　 実測された磁束線をもとにオーロラの生成をシミュレート

粒子状物体の表示

EURGRAPHICS 1997： メタボールで表現された雪の形状に対して、多重散乱光を計算した雪の色



砂状物体の流れる変形



TVC 2010； 雪崩のシミュレーション


PG 2008； 砂と水の相互作用
雪の計算モデル






















謝辞
この分野長期間の共同研究によるものである。
初期段階段階では、指導教授の中前教示。その後、土橋、金田、岩崎、楽、石川先生に感謝する。