基于3dsMax PFlow的建筑常用材料破碎研究

摘 要：隨著3dsMax軟件功能逐步完善，內(nèi)置的粒子系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)粒子碰撞模擬上有了新的突破，解決了三維動(dòng)畫難以實(shí)現(xiàn)特效的問題。為提高建筑倒塌特效的真實(shí)性和可控性，基于3dsMax Particle Flow粒子系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了混凝土、木料、磚塊、玻璃等常用材料的破碎動(dòng)畫。通過反復(fù)測(cè)試，提煉出容積壓裂方式和粒子流搭配方式。與傳統(tǒng)粒子爆炸相比，Particle Flow模擬的破碎效果更真實(shí)，拓展性高、可控性強(qiáng)，為實(shí)現(xiàn)大型建筑倒塌特效研究建立了理論基礎(chǔ)，同時(shí)也為特效工作人員提供了一個(gè)有效手段。

關(guān)鍵詞：粒子系統(tǒng);破碎動(dòng)畫;三維特效;Particle Flow;3dsMax

DOI：10. 11907/rjdk. 191597

中圖分類號(hào)：TP317.4?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??????????????? 文章編號(hào)：1672-7800（2020）003-0238-06

Research on Material Breaking of Buildings Based on 3dsMax PFlow

LI Hong-jiang

（City College，Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China）

Abstract：With the upgrade of the 3dsMax version and the gradual improvement of functions， the built-in particle system has made a new breakthrough in particle collision simulation， solving the special effects that are difficult to achieve in 3D animation. In order to improve the authenticity and controllability of the building collapse effect， based on the 3dsMax Particle Flow particle system， the crushing animation of common materials such as concrete， wood， brick， glass， etc. was designed. Through repeated testing， the volume fracturing method was extracted. Compared with the traditional particle explosion， the particle flow simulation simulated by Particle Flow is more realistic， highly expandsble and controllable. It has established a theoretical basis for the study of the special effects of large-scale building collapse， and also provided an effective reference for special effects production staff.

Key Words：particle system; crushing animation; 3D effects; Particle Flow; 3dsMax

0 引言

20世紀(jì)70年代前，電腦圖形藝術(shù)發(fā)展還處于沉睡狀態(tài)，各項(xiàng)技術(shù)并不成熟，用電腦模擬自然狀態(tài)幾乎不可能。1975年，喬治盧卡斯為《星球大戰(zhàn)》創(chuàng)辦ILM工業(yè)光魔公司，以解決電影中難以實(shí)現(xiàn)的圖像效果。電影的成功使他得到啟發(fā)，投身于探索電腦圖形圖像技術(shù)運(yùn)用到電影的可能。1982年初，多倫多大學(xué)哲學(xué)博士比爾·里佛斯[1]研究的“粒子陣列系統(tǒng)”處理技術(shù)，邁出了粒子動(dòng)畫研究重要一步。1984年，Reeves[2]首次提出了粒子系統(tǒng)出生、消亡和形態(tài)等周期理論;1986年，F(xiàn)oumier等[3]提出“海浪模型”;1990年，Karl Sims[4]提出“并行粒子繪制系統(tǒng)”;1992年Teng-SeeLoke等[5]將牛頓運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)用到粒子系統(tǒng);1999年MeAllister[6]開發(fā)了OpenGl圖象庫(kù)粒子系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)特效研究起步較晚。2009年，湛永松采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)解決粒子系統(tǒng)模型程序設(shè)計(jì)方案;2011年，胡垂立研究了After Effects SDK JavaScript表達(dá)式實(shí)現(xiàn)火焰、雪花、雨滴等特效方法，并提出了最佳粒子設(shè)置參數(shù);2012年，陳勍、王少偉分別研究了影視特效的PF、TP、MPS和Houdini等粒子系統(tǒng)，并探討了粒子使用問題;2015年，曾艷春、喻麗春使用OpenGL編程實(shí)現(xiàn)了粒子系統(tǒng)編輯器。一直以來，國(guó)內(nèi)在粒子特效方面的研究課題不多，多數(shù)學(xué)者主要圍繞火焰、水、煙霧等特效進(jìn)行研究。由于硬件限制，粒子控制和渲染較為困難[7]。本文在前期倒塌測(cè)試與分析基礎(chǔ)上[8]，探討Particle Flow粒子系統(tǒng)對(duì)建筑材料的破碎表現(xiàn)，以期獲得接近真實(shí)效果的破碎參數(shù)和粒子流，用于大型建筑倒塌特效制作。

1 Particle Flow概述

1.1 介紹

Houdini、Thinking Particles（后簡(jiǎn)稱TP）和Particle Flow（后簡(jiǎn)稱PFlow）屬于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域3大重量級(jí)的三維粒子系統(tǒng)。其中，PFlow屬于3dsMax內(nèi)建的事件驅(qū)動(dòng)型粒子系統(tǒng)，由Autodesk公司Oleg Bayborodin博士在2003年開發(fā)完成。加拿大BorislavPetrov在CGtalk上發(fā)表評(píng)論，認(rèn)為PFlow好比紀(jì)錄空間中的粒子資訊，不必依賴模型網(wǎng)格，實(shí)用性很強(qiáng);美國(guó)開發(fā)者Oleg Bayborodin在CGtalk上發(fā)表評(píng)論，認(rèn)為PFlow屬于一個(gè)很靈活的軟件，可運(yùn)用不同方式模擬出粒子效果。

PFlow最早版本為3DStudio Max 5 extension，之后增加了附加插件PFlow Tools Box 1、2，自3dsMax2018版本后該插件完全整合?，F(xiàn)今的PFlow粒子系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)對(duì)剛體和柔體模擬上有了技術(shù)性突破，增加了物理現(xiàn)象模擬的真實(shí)性，解決了大部分三維動(dòng)畫難于實(shí)現(xiàn)的特效表現(xiàn)，具有極其重要的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

1.2 PFlow粒子流

PFlow粒子系統(tǒng)使用粒子視圖的特殊對(duì)話框驅(qū)動(dòng)模型，稱為粒子流。在粒子流中，可將一定時(shí)期內(nèi)描述粒子屬性（如形狀、速度、方向和旋轉(zhuǎn)的單獨(dú)操作符）合并，稱為事件組。每個(gè)操作符都提供一組參數(shù)，可以設(shè)置動(dòng)畫更改事件期間的粒子行為。隨著事件的發(fā)生，系統(tǒng)會(huì)不斷計(jì)算列表中的每個(gè)操作符，并相應(yīng)更新粒子系統(tǒng)[9]，產(chǎn)生粒子效果。

1.3 驅(qū)動(dòng)模型

PFlow屬于事件驅(qū)動(dòng)粒子系統(tǒng)，它測(cè)試粒子屬性并根據(jù)測(cè)試結(jié)果將其發(fā)送給不同事件。圖1為CG Academy克里斯湯姆斯的粒子驅(qū)動(dòng)模型。

Particle系統(tǒng)確定一個(gè)粒子后，統(tǒng)一到達(dá)Birth Particles出生節(jié)點(diǎn)，界定出生粒子的數(shù)量和顯示時(shí)間。Set Particles position指定粒子來源后產(chǎn)出新生粒子，該粒子通過形狀大小節(jié)點(diǎn)Shape確定自己的體貌特征，并流入Set InitialSpeed速度和Set Initial Rotation旋轉(zhuǎn)等節(jié)點(diǎn)確定活動(dòng)方式。具有一定運(yùn)動(dòng)方式的粒子來到Particle Speed Faster than 20粒子速度判斷區(qū)域。當(dāng)粒子通過測(cè)試判定為Yes（真）時(shí)，流入增加Increase Speed速度和任意Random Direction方向的第二個(gè)事件中;未通過測(cè)試的粒子被判定為NO（假），被繼續(xù)保留在該事件中流到下一事件;再次遇到判斷節(jié)點(diǎn)時(shí)又開始新一輪測(cè)試，判斷是否流入第三個(gè)事件Delete Particles，死去或回到第一個(gè)事件繼續(xù)Birth Particles新生，這就是粒子事件性驅(qū)動(dòng)模型。

2 材料破碎動(dòng)畫研究

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

處理器為Intel酷睿i7 8700，內(nèi)存為32G，顯卡為GTX1070 8G，硬盤至少10G剩余空間，操作系統(tǒng)為Windows 10，開發(fā)軟件為3dsMax 2018教育版和Volume Breaker插件。

2.2 混凝土類

2.2.1 材質(zhì)分析

鋼筋混凝土又稱鋼筋砼，是建筑工地常見的建筑材料，廣泛用于建筑物的結(jié)構(gòu)搭建。由于鋼筋砼是運(yùn)用鐵絲將鋼筋固定成所需結(jié)構(gòu)形狀，并用混凝土澆灌定型，因此受到外力沖撞時(shí)能通過鋼筋對(duì)受力點(diǎn)進(jìn)行分散，具有較強(qiáng)的硬度，不易破碎，以及一定的抗震、抗擊、耐久性。

由于運(yùn)用沙石澆灌定型，因此倒塌過程中碎裂的鋼筋混凝土?xí)橛谢覊m和碎石塊，部分較大碎塊中留有斷鋼筋。模擬此類建筑倒塌破碎前，需考慮在破碎模型內(nèi)部創(chuàng)建鋼筋結(jié)構(gòu)。建筑倒塌后，部分模型需在破裂處伴有鋼筋模型結(jié)構(gòu)，以還原鋼筋混凝土真實(shí)破碎后的效果?；炷恋牟馁|(zhì)相對(duì)單一，大部分都以灰色系呈現(xiàn)，表面具有較細(xì)的凹凸質(zhì)感。由于是多種沙、土與水泥混合，因此從碎塊破面可以看到混雜的石塊。由于長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)沙侵蝕和人為因素影響，墻面會(huì)變陳舊，表面顏色會(huì)以黃灰色呈現(xiàn)，濕潤(rùn)的氣候也會(huì)使墻角伴有青苔痕跡。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)方法

運(yùn)用3dsMax Editable Poly構(gòu)建墻面三維模型，將模型分為墻體混凝土與鋼筋兩部分，其中墻體模型用于破碎，鋼筋模型做斷裂段，模擬倒塌后受損鋼筋。進(jìn)行Volume Breaker幾何容積壓裂模型破碎實(shí)驗(yàn)?；炷嗤了槠那芯€模擬主要由Raster切線半徑和Density密度參數(shù)組成，其中Raster切線半徑用于控制碎片切線半徑，Density密度控制碎片切線，見表1。對(duì)數(shù)值進(jìn)行調(diào)整后得出3類結(jié)果：

（1）當(dāng)切割域發(fā)射值為20mm時(shí)，破碎模型較細(xì)，成粉碎狀態(tài)。適于表現(xiàn)較大較重物體碾壓和倒塌后地面亂石場(chǎng)面的營(yíng)造。

（2）當(dāng)切割域發(fā)射值為30mm時(shí)，破碎塊較適中，適合大部分房屋墻面塌毀動(dòng)畫制作。

（3）當(dāng)切割域發(fā)射值為50mm時(shí)，切面大的模型具有體積感和厚重感，適合于較大塊面的混凝土塊表現(xiàn)。

將混凝土破碎模型加入粒子組，并勾選Group Members獨(dú)立群組粒子模塊。由于模型屬于不規(guī)則物體，因此Collide As碰撞為Convex Hull凸殼;Bounce and Friction group為反彈與摩擦組，物體掉落在地上有0.1的反彈力，并產(chǎn)生0.87的動(dòng)摩擦力;運(yùn)用By Density密度決定物體質(zhì)量，較大的顆粒粒子具有更大的質(zhì)量，而不是平均質(zhì)量，見圖2。

設(shè)置PhysX World世界空間坐標(biāo)中的Group Bounce And Friction反彈與摩擦組，使物體下落后能產(chǎn)生真實(shí)的混凝土摩擦動(dòng)畫效果;墻面受到震波影響時(shí)會(huì)有不同程度的碎裂，碎塊的產(chǎn)生會(huì)根據(jù)墻體承受力決定，因此在混凝土制作中加入PhysX Collision物理碰撞，模擬局部模型內(nèi)部鋼筋拉扯的效果。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用平衡力驅(qū)動(dòng)，渲染模型得到混凝土破碎動(dòng)畫。從模擬動(dòng)畫中可以看到墻面在產(chǎn)生碎裂后開始倒塌，倒塌過程中粒子間相互碰撞，并伴有粒子碎塊掉落，接近真實(shí)混凝土破碎效果，如圖3所示。

2.3 木料類

2.3.1 材質(zhì)分析

木材是常見的建筑用料和裝飾材料，中國(guó)古代建筑大多以木質(zhì)材料為主。木質(zhì)建筑材料具有一定的韌性，但抗壓性能較差，受到外力沖撞時(shí)容易破損。由于成本較低，搭建工藝相對(duì)于混凝土簡(jiǎn)單得多，因此多數(shù)平房都使用此材料進(jìn)行搭建。木質(zhì)材料外觀特點(diǎn)是木質(zhì)紋理。由于紋理的特殊性使得木質(zhì)物體破碎形狀有別于石頭或玻璃，破碎裂縫通常都會(huì)順著木紋裂開，具有一定的方向性。從木紋外觀可以看出，木紋材質(zhì)屬于低高光度并帶有一定凹凸機(jī)理，沒有反光和折射，但建筑中的木材通常會(huì)刷上一定的防腐材料（如油漆），因此具有一定的光澤。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)方法

創(chuàng)建木塊三維模型，通過調(diào)整與編輯點(diǎn)、線、面，使模型外形接近于木板尺寸。添加Volume Breaker幾何容積壓裂進(jìn)行破碎實(shí)驗(yàn)，見表2。木塊碎片的切線模擬主要由Raster切割域、Density密度和Gizmo切線比例參數(shù)控制。對(duì)數(shù)值進(jìn)行調(diào)整后可得出3類常用結(jié)果。

（1）較細(xì)的密度值和較細(xì)的Gizmo可塑造出較大木料的模型切線，適合于模擬大型物體壓裂的木塊狀態(tài)。

（2）密度與Gizmo適中的破碎模型，使碎塊破碎后具有清晰的木料特征和結(jié)構(gòu)，對(duì)于近景木塊動(dòng)畫的表現(xiàn)效果很好。

（3）較高的密度值和較細(xì)的Gizmo可以營(yíng)造較細(xì)的木塊碎裂模型，較小體積的模型木塊碎渣適合營(yíng)造木料爆炸后的碎渣效果。

將木料破碎模型加入粒子組，如圖4所示。同理勾選Group Members獨(dú)立群組粒子模塊。由于模型屬于不規(guī)則物體，因此設(shè)置Collide As碰撞為Convex Hull凸殼;Bounce and Friction group反彈與摩擦組物體掉落后在地上有0.03的反彈力，此彈力值設(shè)置用于模擬木塊相互碰撞的韌性，并產(chǎn)生0.87的動(dòng)摩擦力;世界空間的彈力為0.06，產(chǎn)生的反彈與物體一樣。

2.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)模型模擬后得到木料破碎動(dòng)畫，如圖5所示。從模擬動(dòng)畫可以看到，木塊被縱向劈開，向兩邊滑落，木塊與木塊接觸后以及到底面時(shí)受一定彈力影響，有略微回彈隨機(jī)錯(cuò)落疊加，體現(xiàn)了藝術(shù)美學(xué)效果。

2.4 磚塊類

2.4.1 材質(zhì)分析

磚是一種建筑材料，外觀呈長(zhǎng)方體小塊狀，為構(gòu)成墻體主要材料。磚塊通過與混泥土堆砌而成磚墻。磚塊多以灰橘紅色呈現(xiàn)，由于砌塊帶有空氣，表面會(huì)呈現(xiàn)出凹凸不平的小空洞。

2.4.2 實(shí)驗(yàn)方法

創(chuàng)建幾何體三維模型結(jié)構(gòu)，調(diào)整、編輯出物體外輪廓形狀。進(jìn)行Volume Breaker幾何容積壓裂破碎實(shí)驗(yàn)。磚塊切線由Width寬度、Height高度、Depth深度和W-Offset偏移值控制。其中寬度和高度對(duì)應(yīng)木塊的大小與寬窄，深度控制模型厚度。由于磚塊是錯(cuò)位放置，因此W-Offset偏移值可以調(diào)整出錯(cuò)位塊面效果。對(duì)數(shù)值進(jìn)行調(diào)整后可得出3類常用結(jié)果，見表3。

（1）寬度為20mm，深度和高度都在10mm破面呈現(xiàn)規(guī)則的長(zhǎng)方體形狀，調(diào)整50偏移值后模型為磚墻的橫截圖，用于常見磚墻的模型模擬。

（2）寬度為10mm，深度和高度都在10mm，調(diào)整偏移值為0時(shí)，模型為正方形狀態(tài)，可用于地磚、瓷磚等建筑裝飾物體模擬。

（3）寬度為10mm，深度和高度都在5mm，調(diào)整偏移值為0，此時(shí)模型截面為長(zhǎng)方形特征，可用于前面裝飾的模擬。

將磚塊破碎模型加入粒子組，如圖6所示。由于模型屬于不規(guī)則物體，因此設(shè)置Collide As碰撞為Convex Hull凸殼;Bounce and Friction group為反彈與摩擦組，設(shè)置物體受力后產(chǎn)生0.5的動(dòng)摩擦力;設(shè)置PhysX World世界空間的Acceleration重力為300，摩擦力為0.5，不產(chǎn)生反彈。

2.4.3 結(jié)論

使用碰撞驅(qū)動(dòng)，模型模擬磚塊破碎動(dòng)畫如圖7所示。從模擬動(dòng)畫可以看出，墻面產(chǎn)生碎裂后開始倒塌，下落的磚塊相互碰撞，物體落體后形成堆砌效果，基本接近于真實(shí)墻體倒塌。

2.5 玻璃類

2.5.1 材質(zhì)分析

玻璃是一種透明、不透氣并具有一定硬度的物料，建筑窗戶的玻璃在日常環(huán)境中呈化學(xué)惰性，是一種非晶形過冷液體。融解的玻璃迅速冷卻，各分子因沒有足夠時(shí)間形成晶體而形成玻璃。

玻璃具有一定硬度，但受到一定強(qiáng)度震波影響后易大面積破碎，碎片顆粒形狀不均，具有一定鋒利性。材質(zhì)表面較平滑，但如磨砂玻璃等具有特殊質(zhì)感的玻璃表面具有紋理，帶有一定的透明度，具有反射與折射等特性。

2.5.2 實(shí)驗(yàn)方法

構(gòu)建窗子和窗框的三維模型，破碎效果在窗子模型上實(shí)施。進(jìn)行Volume Breaker幾何容積壓裂模型破碎實(shí)驗(yàn)。磚塊切線由Width寬度、Height高度、Depth深度和W-Offset偏移值控制。其中Width寬度和Height高度對(duì)應(yīng)木塊的大小與寬窄，Depth深度控制模型厚度。對(duì)數(shù)值進(jìn)行調(diào)整后可得出3類常用結(jié)果，見表4。

（1）第一半徑為500mm，第二半徑為1 000mm，模型從中心位置破碎后向外散開，呈現(xiàn)出蜘蛛網(wǎng)狀的切線效果，可用于子彈射擊玻璃后的破碎效果。

（2）第一半徑不變，第二半徑為2 000mm，玻璃模型切線密度由外向里逐漸密集。破碎后窗邊緣的碎塊略大，可模擬出玻璃未完全碎裂粘連在框邊的效果。

（3）第一半徑不變，第二半徑為3 000mm，碎片成類似蜂窩狀的碎小鈍角顆粒，適合模擬鋼化玻璃破碎后的碎片。

將玻璃破碎模型加入粒子組，見圖8。勾選Group Members獨(dú)立群組粒子模塊，使其能夠把組中粒子計(jì)算為對(duì)象元素;由于模型屬于不規(guī)則物體，因此設(shè)置Collide As碰撞為Convex Hull凸殼。Bounce and Friction group為反彈與摩擦組;設(shè)置物體掉落后在地上有0.18的反彈力，并產(chǎn)生0.43的動(dòng)摩擦力;在密度設(shè)置中，運(yùn)用By Density密度決定物體質(zhì)量，較大的顆粒粒子具有更大的質(zhì)量而不是平均質(zhì)量。PhysX Switch物理時(shí)間控制用于控制破碎時(shí)間;設(shè)置PhysX World世界空間坐標(biāo)中的Group Bounce And Friction為反彈與摩擦組，使物體下落后能產(chǎn)生真實(shí)的玻璃破碎效果;由于玻璃由邊框固定，因此加入PhysX Collision物理碰撞，模擬玻璃垮塌時(shí)碰撞效果。

2.5.3 結(jié)論

使用碰撞驅(qū)動(dòng)，對(duì)模型模擬后得到玻璃破碎動(dòng)畫，見圖9。從動(dòng)畫中可以看到，玻璃在產(chǎn)生碎裂后開始倒塌，邊緣處由于有膠，產(chǎn)生部分粘連，在重力和拉力影響下又脫落。下落的碎塊相互碰撞，物體落體后形成堆砌效果，基本接近真實(shí)落體情況。

3 結(jié)語(yǔ)

本文使用3dsMax PFlow粒子系統(tǒng)，模擬混泥土、木料、磚塊、玻璃等常用建筑材料的破碎動(dòng)畫。通過采用幾何容積壓裂進(jìn)行破碎實(shí)驗(yàn)，建立了一套PFlow粒子流動(dòng)畫模型。該方法基于粒子系統(tǒng)物理模擬技術(shù)，與傳統(tǒng)3dsMax粒子爆炸相比效果更真實(shí)，拓展性高、可控性強(qiáng)，能有效提高三維特效制作效率，為模擬真實(shí)建筑倒塌特效奠定了基礎(chǔ)。后續(xù)將深入研究大型建筑倒塌中的多粒子碰撞效果，以提高大型粒子運(yùn)算效率和渲染品質(zhì)。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）

收稿日期：2019-04-24

基金項(xiàng)目：昆明理工大學(xué)慕課建設(shè)項(xiàng)目（1096843005）

作者簡(jiǎn)介：李虹江（1983-），男，碩士，昆明理工大學(xué)城市學(xué)院講師，研究方向?yàn)槿S動(dòng)畫、虛擬現(xiàn)實(shí)。