Snowpack simulation on the GPU in Unity

Abstract

Snow is a fascinating yet very complex phenomenon, its behavior is defined by a lot of interconnected physical processes. Snowpacks and snow covers are common subjects in computer modeling, especially in video gaming development, where snowy environments are featured quite often. While there exists a variety of snow modeling solutions, with some being quite advanced, not a lot of them dive into the specifics of these internal processes. This thesis tackles the relation between snow density, temperature, stiffness, and hardness, and simulates its vertical compression as a function of those parameters and the applied pressure over time. Moreover, the simulation uses a 3-dimensional grid as a means to discretize the snowpack volume and the performance advantage of a compute shader, run on the GPU. As the intended application of this simulation is game development, it is implemented as a Unity project.

Schnee ist ein faszinierendes und doch sehr komplexes Phänomen, dessen Verhalten durch eine Vielzahl miteinander verbundener physikalischer Prozesse bestimmt wird. Schneemassen und Schneedecken sind häufige Themen in der Computermodellierung, insbesondere bei der Entwicklung von Videospielen, in denen verschneite Umgebungen recht häufig vorkommen. Es gibt zwar eine Vielzahl von Lösungen zur Schneemodellierung, von denen einige recht fortschrittlich sind, aber nur wenige gehen auf die Besonderheiten dieser internen Prozesse ein. Diese Arbeit befasst sich mit der Beziehung zwischen Schneedichte, Temperatur, Steifigkeit und Härte und simuliert die vertikale Kompression des Schnees in Abhängigkeit von diesen Parametern und von externem Druck über Zeit. Die Simulation nutzt ein dreidimensionales Gitter als Mittel zur Diskretisierung des Schneevolumens und einen auf der GPU laufenden Compute-Shader, um bessere Leistung zu erzielen. Da die beabsichtigte Anwendung dieser Simulation die Entwicklung von Spielen ist, wird sie als Unity-Projekt implementiert.