流体シミュレーションは強力な3Dテクニックで、うまく使えば驚くほど美しい仕上がりになります。水が階段を流れ落ちたり、シロップのようなベトベトが物体の間を滴ったり、大きな波が崖にぶつかったりするような視覚的にとてもインパクトのある表現ができます。流体シミュレーションはただの見た目の演出ではなく、流体力学に基づいたリアルな物理計算と、アーティストの創造的な演出が組み合わさった高度な技術です。そのため、VFX（視覚効果）、スタイライズされたアニメーション、製品のビジュアル表現など、さまざまな分野で重要な役割を果たしています。
3Dにおける流体シミュレーションとは、水や油、溶岩のような液体の動きや性質を、数学や物理の計算を使ってリアルに再現する技術です。液体がどのように流れるかを表す特別な方程式を使い、スピードや圧力、粘り気（粘度）、重力などの要素を考慮して、本物のような動きを作り出します。シミュレーションの方法には、粒子を使うものと3Dグリッドを使うものがあり、穏やかな水面から激しい水しぶきまで、さまざまな液体表現が可能です。
粒子ベースの技術には、「スムーズ・パーティクル・ハイドロダイナミクス（SPH）」や「FLIP（Fluid-Implicit Particles）」などがあります。これらは液体を無数の小さな点（粒子）の集まりとして扱い、重力や圧力などの力に反応させて動きを再現します。この方法は、液体の跳ね返りや注がれる動き、激しい流れのような小規模でエネルギッシュなシミュレーションにとても適しています。
グリッドベース（またはオイラー型）の手法では、シミュレーション空間を3Dの格子状に分けて、その中を液体がどのように動くかを計算します。この方法は、海のような大きな水の塊や、滑らかで波のような動きを再現するのに最適です。メモリの使用量は多くなりがちですが、大きなスケールの動きを滑らかに表現できるのが特徴です。
ハイブリッドソルバーは、パーティクル方式とグリッド方式の良いところを組み合わせた手法です。たとえばFLIP（Fluid-Implicit Particle）は、粒子を使って液体の動きを追跡しつつ、力の計算にはグリッドを使います。これにより、安定性と細かいディテールの両方を実現できます。こうしたハイブリッド方式は、リアルな見た目とパフォーマンスのバランスが取れているため、実際の制作現場でも広く使われています。
「ベイク」を押す前に、シミュレーションが期待通りに動作し、無駄にリソースを消費しないように、適切な準備をすることが重要です。
シーンには必ず実際の世界と同じスケールを使うようにしましょう。シミュレーションは重力や粘度、動きなど、正確な寸法に大きく左右されます。モデルの物理的なスケールが正しくないと、液体の動きが遅くなったり、逆に不安定になってしまうことがあります。
流体が接触するすべてのオブジェクトは、水が漏れないように密閉されていて、物理的な厚みを持っている必要があります。薄い平面や開いたジオメトリのモデルは、ソルバーを混乱させ、アーティファクトや漏れの原因になります。きれいなモデリングを心がけることが非常に重要です。
シミュレーションドメインは、流体のための境界ボックス（バウンディングボックス）を定義します。この見えないコンテナがすべての流体パーティクルを保持し、シミュレーションの解像度やメモリ使用量を決定します。ドメインはシミュレーションが収まる範囲にできるだけぴったりと設定し、無駄な空間を省くことで、メモリ使用量やベイク時間を最小限に抑えることが重要です。
基本的なセットアップでも、ちょっとした工夫で流体シミュレーションのリアリティを高めることができます。
高解像度に設定すると流体シミュレーションのディテールが向上しますが、その分シミュレーションやレンダリングにかかる時間が大幅に増加します。そのため、まずは低い設定で動きを確認し、流体の動きに納得できた段階で解像度を上げるのが最適です。
水、シロップ、溶岩など、異なる流体はそれぞれ異なる動きをします。これらの特性を再現するには、粘度の設定を使いましょう。粘度を低くすると水のような動きになり、粘度を高くするとハチミツのようにゆっくりで粘り気のある流体をシミュレートできます。
リアリズムを高めるためには、泡や水しぶき、気泡といった二次的な要素を追加すると効果的です。これらは特に海や荒れた水面、高速で流体が表面に衝突するシーンなどで有用です。Blenderのようなソフトウェアでは、これらの効果をメインの流体シミュレーションとは別にベイクすることができます。
Blenderの流体シミュレーションシステムは、Mantaflowによって動作しており、インディークリエイターや小規模スタジオにとって優れたオールインワンのソリューションです。液体と気体の両方のシミュレーションに対応しており、メッシュベースやパーティクルベースの流体、粘度の調整、ドメイン単位のキャッシュなどの機能を備えています。HoudiniのFLIP Fluidsほどの拡張性や細かさはありませんが、継続的に改良されており、Blenderのワークフローに完全に統合されています。特に素早い反復や満足のいく結果が求められるスタイライズや中規模のプロジェクトでは、Blenderは十分に力を発揮します。
Houdiniが映画やハイエンドVFXで広く使われているのには理由があります。そのFLIP流体は高速でスケーラブル、かつ細かなコントロールが可能です。ノードベースのシステムによりプロシージャルなセットアップができ、シミュレーションを一からやり直さずに調整できます。
RealFlowは、リアルな液体挙動で知られるスタンドアロン型のシミュレーションセットです。主にコマーシャルやシネマティクスで多用され、Cinema 4D、Maya、3ds Maxなどの3Dソフトウェアと連携できます。ワークフローが流体中心の場合、RealFlowは非常に信頼できるツールです。
BifrostはMayaに標準搭載されているシミュレーションフレームワークで、高品質な液体、煙、パーティクルのシミュレーションに対応しています。Bifrostの液体ソルバーはパーティクルとボリュームの両方を組み合わせており、スプラッシュや泡、粘度の表現など、リアルな流体効果を再現できます。また、プリセットが用意されているため、外部ツールを使わずに流体エフェクトの作成やレンダリングが簡単に行えます。
ゲームやVRアプリケーションでは、リアルタイムの流体シミュレーションは通常、シェーダー効果や頂点アニメーションテクスチャを使って簡略化されます。これらは物理的に完全に正確ではないかもしれませんが、見た目が良く、パフォーマンスにほとんど負担をかけずに実行することができます。
流体シミュレーションは壮大な洪水のようなシーンだけのものではありません。さまざまな分野で使用されており、それぞれに独自のニーズやアーティスティックな可能性があります。ここでは、液体シミュレーションの一般的な用途をいくつかご紹介します：
映画やテレビの分野では、流体シミュレーションは、水がさまざまな構造物を流れるシーンやアクションシーンでの血しぶきなど、印象的な瞬間を演出するために非常に重要です。これらのシミュレーションは、視覚効果に現実味を与えることができ、クライマックスとなる重要なシーンでは要になることも多いです。シミュレーションによって実現されるリアリズムは、他の方法では再現が難しいのです。
ビデオゲームでは、リアルタイムの制約から、流体シミュレーションは簡略化されることが少なくありません。水、溶岩、スライムなどを完全にシミュレートする代わりに、既成のアニメーション、シェーダー、テクスチャのトリックを使ってリアルに見せます。より高度なゲームエンジンでは、水たまりや川、スプラッシュエフェクトのようなインタラクティブな要素に、簡略化された流体モデルやハイブリッドシステムを使用することがあります。なぜなら、ゲームをスローダウンさせることなく、リアルなビジュアルを作成するのが目標だからです。
広告では、飲み物を注いだり、化粧水をなめらかに塗ったり、絵の具を派手に散らしたりする様子を流体シミュレーションで表現します。このようなシーンでは、視覚に訴え、かつ情報を提供する方法で製品を強調します。シミュレーションは完全デジタルなので、最も魅力的な動きやカメラアングルを見つけるために何度も調整することができます。
流体シミュレーションは教育にも役立ちます。血液が静脈の中を流れる様子や、シャーレの中で化学物質が反応する様子などを示すことができるからです。このようなシミュレーションは、実生活で観察するには速すぎたり、小さすぎたり、危険すぎたりするプロセスを説明するのに役立ちます。正確な科学とわかりやすいビジュアルが組み合わされ、学習と研究の両方に役立ちます。
流体が制御不能なほど爆発している場合、おそらく間違ったスケーリング、高すぎる流入率、またはオブジェクトが重なっていることが原因です。オブジェクトのサイズをチェックし、極端な速度や圧力の設定があれば下げてください。
流体がオブジェクトを通過したり、メッシュに穴がある場合、通常はベイクの解像度が低すぎることが原因です。解像度を上げるかメッシュパーティクルの数を増やし、精度を上げるためにサブステップを使用してみてください。また、オブジェクトの厚みが原因である可能性もあるので、それも増やしてみてください。それでもうまくいかない場合は、オブジェクトの法線が逆になっていないか確認してください。法線が正しい方向を向いていることを確認して、流体が正しく相互作用するようにしてください。
このような問題は通常、不安定なメッシュ生成が原因です。メッシュのスムージングとフィルタリングを有効にしてみてください。また、ベイクパスがシミュレーションの途中で中断されたり破損したりしていないか確認してください。
流体オブジェクトから流れが出ない場合は、オブジェクトが薄すぎるためかもしれません。フローオブジェクトの厚さを増やすか、表面放出量を増やしてみてください。また、フローオブジェクトが小さすぎる場合、流体が出ないことがあります。オブジェクトのスケールを大きくすることで、この問題を解決できるかもしれません。
流体シミュレーションは、技術的なチャレンジであると同時に創作の可能性を広げるものでもあります。数学的な手法を使ってリアルな動きを作り出すと同時に、ユニークな方法でストーリーを表現することができます。流体シミュレーションは、他のエフェクトでは実現できないような、生き生きとした表現を可能にします。大規模な特殊効果でも、スタイライズされたアニメーションでも、製品コマーシャルでも、流体エフェクトは作品を際立たせ、印象的な作品にすることができます。
重要なのは、さまざまなことを試し、改良を加え、実際の生活で液体がどのように振る舞うかを研究することです。簡単なプロジェクトから始めて、使っているソフトウェアに慣れ、徐々にスキルを身につけましょう。練習と忍耐を重ねれば、水たまりや水しぶき、流れる液体を表現できるようになり、自分の作品をレベルアップさせることができるでしょう。
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