Maya的FluidEffects流體技術(shù)在影視特效中的應(yīng)用

彭城

摘 要：影視特效絢麗的外表下無(wú)外乎是強(qiáng)大的流體和粒子特效，Maya的Fluid Effects流體技術(shù)是基于物體特性的真實(shí)模擬，同時(shí)易于操作的特性和真實(shí)可靠的渲染輸出使其成為影視后期制作中被廣泛使用的軟件之一。

關(guān)鍵詞：Maya 流體 影視特效

從《星球大戰(zhàn)》開(kāi)始，觀眾就開(kāi)始將電腦影視特效與好萊塢大片聯(lián)系在了一起?！顿_紀(jì)公園》、《泰坦尼克號(hào)》、《2012》、《阿凡達(dá)》，一部部耳熟能詳?shù)膬?yōu)秀電影中都包含著令觀眾嘆為觀止的影視特效。這些影視特效的制作是依靠多款軟件共同協(xié)作而產(chǎn)生出來(lái)的，其中Maya的Fluid Effects流體技術(shù)在環(huán)境模擬和細(xì)節(jié)體現(xiàn)上可謂功不可沒(méi)。

一、Fluid Effects流體技術(shù)的概念

Maya的Fluid Effects是模擬流體運(yùn)動(dòng)的成熟技術(shù)，大到復(fù)雜多變的天氣、波濤洶涌的大海，小到角色手中的香煙、咖啡杯中冒出的水蒸氣，只要是在力的作用下不斷改變形狀的流體，這項(xiàng)技術(shù)都可以輕松的模擬出來(lái)。Maya應(yīng)用流體動(dòng)力學(xué)規(guī)律去摸擬流體運(yùn)動(dòng)，關(guān)鍵在于背后運(yùn)用動(dòng)力學(xué)流體模擬來(lái)建立真實(shí)的流體運(yùn)動(dòng)，讓流體表現(xiàn)動(dòng)感用粒子是難以實(shí)現(xiàn)的。這其中比較常見(jiàn)的基本流體效果類型主要分為以下兩種：

1、動(dòng)態(tài)流體效果

動(dòng)態(tài)流體效果是完全模擬自然規(guī)律來(lái)反映流體的變化，Maya內(nèi)置的Navier-Stokes方程可以根據(jù)用戶定義的參數(shù)計(jì)算出不同時(shí)間段流體的真實(shí)形態(tài)，在不同的時(shí)間點(diǎn)，可以賦予流體不同的材質(zhì)，從而使其更加的真實(shí)，比如騰空而起的煙花、濃煙滾滾的火焰等。動(dòng)態(tài)流體需要Maya進(jìn)行解算，因此運(yùn)行比靜態(tài)流體效果要慢很多，渲染輸出可以借助烘焙關(guān)鍵幀加快運(yùn)算。

2、靜態(tài)流體效果

靜態(tài)流體效果是不需要利用Navier-Stokes方程來(lái)進(jìn)行解算、模擬流體運(yùn)動(dòng)的，用戶需要利用材質(zhì)和關(guān)鍵幀動(dòng)畫來(lái)完成動(dòng)態(tài)效果。比如遠(yuǎn)處天空運(yùn)動(dòng)緩慢的云就可以使用靜態(tài)流體來(lái)完成。由于不需要進(jìn)行解算，其運(yùn)行速度比動(dòng)態(tài)流體效果要快很多。

二、Fluid Effects流體技術(shù)的應(yīng)用

1、流體容器的基本控制

Fluid Effects流體在使用時(shí)要由用戶定義一個(gè)邊界，也就是為流體創(chuàng)建一個(gè)存在的空間，這個(gè)稱之為流體的容器。在Maya軟件里可以創(chuàng)建兩種流體容器：2D流體容器和3D流體容器，如果用戶僅僅是將流體效果展示出來(lái)，可以優(yōu)先選擇2D流體容器，因?yàn)檫@種更快捷、簡(jiǎn)便；如果用戶制作的是快速變化的流體效果或者是需要模型在流體里穿過(guò)，那就最好使用3D流體容器。比如利用Maya制作的爆炸效果，就是利用了帶有粒子發(fā)射器的3D流體容器來(lái)制作的，同時(shí)爆炸產(chǎn)生時(shí)火焰和煙塵會(huì)迅速升騰，因此容器高度Y值要相應(yīng)的大一些才能滿足需要。為了追求爆炸效果的真實(shí)性，Maya中還允許利用流體帶動(dòng)粒子，制作一些爆炸的碎片從爆炸點(diǎn)飛濺而出的細(xì)節(jié)效果，可見(jiàn)一個(gè)爆炸效果其實(shí)是流體和粒子層相互影響交融擴(kuò)散的結(jié)果。

我們創(chuàng)建了一個(gè)流體容器后，在容器的底部會(huì)用柵格線直觀的顯示出分辨率，這些柵格里面的數(shù)值多少控制了流體的流動(dòng)，柵格的多少可以通過(guò)Resolution項(xiàng)來(lái)調(diào)整。在渲染的每一步，Maya利用動(dòng)力學(xué)解算器計(jì)算柵格中的數(shù)值，數(shù)值的變化，促成了流動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。流體容器的尺寸決定了流體存在的空間，由于爆炸效果的流體容器Y值偏大，因此我們應(yīng)該在創(chuàng)建容器后先修改尺寸，讓后將容器與物體打組，這樣就不會(huì)影響爆炸的最終效果。最后我們還要注意容器的邊界，流體在接近容器邊界時(shí)有不同的衰減模式，一般會(huì)有四種模式：開(kāi)放邊界、雙面封閉邊界、單向封閉邊界和循環(huán)邊界。在開(kāi)放邊界模式下，流體容器的邊界呈開(kāi)放狀態(tài)，流體運(yùn)動(dòng)時(shí)仿佛沒(méi)有邊界存在一樣，更不會(huì)有衰減效果。雙面封閉邊界效果下，邊界會(huì)像墻一樣阻擋流體，將其限定在容器內(nèi)。單向封閉邊界模式下流體容器可以在用戶定義的方向上對(duì)流體產(chǎn)生限定效果，除此以外方向的邊界效果等同于開(kāi)放模式，不會(huì)對(duì)流體產(chǎn)生限定。循環(huán)邊界模式下，流體到達(dá)邊界后會(huì)從該邊界對(duì)應(yīng)的另一邊出來(lái)循環(huán)往復(fù)。

容器是流體的“工作區(qū)”，流體的大部分屬性還是由發(fā)射器來(lái)進(jìn)行控制的。在爆炸效果中，我們可以利用發(fā)射器定義爆炸的密度、速度、溫度和燃料等屬性，一般來(lái)講容器的燃料和溫度的交集產(chǎn)生爆炸或者燃燒時(shí)火焰的熱量和煙塵的濃度。影響流體動(dòng)態(tài)的因素有很多，包括阻尼，浮力，渦流力，擾亂力等等。渲染效果主要是由密度和溫度來(lái)控制。燃料的作用是設(shè)定流體達(dá)到最大溫度的反應(yīng)時(shí)間或反應(yīng)速度。對(duì)于一堆火來(lái)說(shuō)，燃燒中心到邊緣火焰的溫度熾熱顏色是不均衡的，因此在均衡發(fā)射流體密度的同時(shí)，擾亂發(fā)射器的溫度和燃料輸出就會(huì)在低溫和高溫顏色區(qū)間產(chǎn)生隨機(jī)效果，使爆炸火焰變得更加真實(shí)。

由此可見(jiàn)，如果想表現(xiàn)流體的動(dòng)力學(xué)屬性就必需定義一個(gè)符合動(dòng)力學(xué)規(guī)律的容器，解算過(guò)程中由Maya指定一個(gè)流體動(dòng)力學(xué)解算器給這個(gè)容器，在每一個(gè)時(shí)間段中計(jì)算新的值來(lái)代替容器中的舊值。這里要說(shuō)明的是在2D流體容器中，流體的貼圖屬性值在模擬計(jì)算中不能被改變。2D流體容器屬性編輯器的容器設(shè)置卷展欄里會(huì)有一個(gè)區(qū)別于3D流體容器的選項(xiàng)——Use Height Field（使用高度場(chǎng)），它是2D流體專用的?？梢詫?D曲面繪制成高度場(chǎng)而并非平坦的平面，可以實(shí)現(xiàn)某些效果。同時(shí)開(kāi)啟此項(xiàng)后會(huì)使渲染速度加快。

2、流體與粒子的相互配合提升特效質(zhì)量

粒子便于操控，而流體模擬更加接近真實(shí)，所以在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)將粒子和流體進(jìn)行組合模擬。如果使粒子與容器之間建立約束關(guān)系，那么流體里的動(dòng)力學(xué)能夠作為場(chǎng)來(lái)對(duì)Emitter所發(fā)射出來(lái)的粒子施加影響，基于這個(gè)基礎(chǔ)，粒子就能夠受流體動(dòng)力學(xué)驅(qū)動(dòng)，并保持粒子的易操控性，力場(chǎng)還能夠與粒子相鏈接，通過(guò)粒子來(lái)對(duì)流體產(chǎn)生作用。流體則能夠用作粒子的紋理，還包括各種體積材質(zhì)（volume shaders），這樣流體的材質(zhì)特性就能夠保留下來(lái)在特效中顯現(xiàn)。通過(guò)控制粒子的方法來(lái)對(duì)速度，粘性和速度散度進(jìn)行控制，并提供了兩種基本控制形狀（球形各向同性控制和圓柱各向異性控制），而每個(gè)粒子的影響量則通過(guò)下降曲線來(lái)體現(xiàn)，在具體實(shí)施控制的時(shí)候又提供了軟控制或者硬控制兩種模式，從而為整個(gè)流動(dòng)提供了一種靈活的控制機(jī)制。

由于我們做的是拖尾效果，因此越接近物體本身的最初狀態(tài)應(yīng)該是紅熱狀態(tài)的氣體，然后逐漸過(guò)渡到淡煙或者黑煙，因此要在粒子shape屬性中手動(dòng)創(chuàng)建userScalar2PP參數(shù)來(lái)控制粒子的自發(fā)光，同時(shí)這類特效在渲染時(shí)火焰和煙塵肯定都是一直在變化的，不會(huì)保持靜止，所以我們要由粒子shape屬性中的userScalar1PP參數(shù)時(shí)時(shí)控制流體中用于模擬流體運(yùn)動(dòng)的extureTime屬性。導(dǎo)彈拖尾到后面肯定是越來(lái)越大的，因此我們還需要控制粒子的半徑，也就是particleShaper下的radiusPP屬性。

三、總結(jié)

Maya作為一款優(yōu)秀的三維動(dòng)畫軟件，真實(shí)的特效模擬是必不可少的因素之一，用戶可以利用Maya中的粒子系統(tǒng)、Fluid Effects流體技術(shù)模擬出火山噴發(fā)、隕石墜落、戰(zhàn)爭(zhēng)爆破、大廈垮塌等等現(xiàn)實(shí)中無(wú)法拍攝或者拍攝代價(jià)過(guò)高的鏡頭，為電影制作者提供了一個(gè)實(shí)現(xiàn)想象力的廣闊平臺(tái)。雖然制作影視特效的軟件有很多款，但就特效系統(tǒng)的靈活性與成品的細(xì)節(jié)表現(xiàn)力來(lái)看，Maya的Fluid Effects流體技術(shù)，特別是和粒子系統(tǒng)配合后形成的統(tǒng)一特效體系依然是特效師的首選。

參考文獻(xiàn)：

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