影视特效制作需要哪些物理知识（一）之重力

影特效中很重要的一部分工作就是模拟真实世界, 但模拟什么内容呢? 物体的运动效果。在早期的电影作品中往往通过慢速拍摄, 然后正常播放来获得一些滑稽的特效，但是这些特效并不真实, 因为物体受力才会运动,无论是人为影响还是自然现象都属于影视特效模拟创作的范畴, 因此我们也不可避免地和“动力学”这一物理学和天文学相关的理论打交道。

动力学的基础是牛顿力学, 主要应用的是牛顿运动第二定律( 物体的加速度与物体所受的合力成正比, 和物体的质量成反比, 而物体加速度的方向与合力的方向相同)。动力学还包括能量的观念，研究质点或刚体在空间中的运动与受力情况。虽然我们制作的是展现在幕上的虚幻影像, 但仍然需要让我们所制作的效果尽可能贴近物理世界。这样才能符合观看者的思维逻辑, 使其信以为真, 因此要通过软件模探动力学效果, 首先了解一些真实世界中的物理学知识, 但这些知识并不是枯燥无味的, 因为这不是在高中或者大学课程中必须学会的知识。这只是让我们在生活之中更加善于组织, 善于发现并体会更多的乐趣, 我们在很小的时候可能都玩过“吹泡泡”的游戏, 彩色的肥皂泡总会在空中飞舞一阵就下落, 我们没有接到的泡泡在和地面碰撞的一间消失, 无论怎样努力吹, 泡泡还是会很快破掉, 我们在追逐泡泡的过程中还会看到阳光的彩色折射, 也会在追逐泡泡的过程中留下无数的欢笑, 这是在真实世界中很容易做的一个动力学实验, 如果你对动力学方面有兴趣并且充满对生活的热情, 不妨现在就尝试一下这个最简单的物理实验, 如图所示, 和家人或朋友回顾一下久违了的儿时的单纯游戏, 并把这些美好的过程记录下来, 因为在游戏的过程中我们收获的不只是欢笑, 还有真实物理世界的运动形态。

与真实的物理世界不同的是, 在软件的动力学解算过程中并不会自动加入重力或风力等我们甚至不留意观察就注意不到它们真实存在的力场, 我们需要用重力场，空气场，浮力场，拖拽场，风力场，螺旋场，放射场， 扰乱场等一系列场, 以及物体自身的质量、密度、体积等因素共同构建出一个和真实世界相似的环境, 并用这个环境的数据来模拟其中的物体变化。

学习对物理世界特效的模拟, 其中很重要的一点就是反复的实验, 将实验的数据结合到对特效镜头的解算调试当中, 不用担心麻须, 只要运用一架摄影机甚至一台数码相机和一些测量工具就可以, 关键是我们在制作影特效的过程中能否坚持自己拍摄解算的过程。

一、重力与下落

这个主题在具有动力学解算能力的三堆软件中是非常基础的功能，通过输入重力场、物体的质量和密度参数，往往会在模拟的过程中表现出下落的感觉，虽然是一个简单的下落，但是从人们认识到这一物理现象到能够使用参数进行模拟控制，中间经历了漫长的过程。

我们在制作影视特效镜头之前自己通过拍摄模拟不能仅仅停留在观察, 甚至是单纯的模拟阶段, 模拟固然是为后面制作特效镜头进行数据参数的准备，问题的关键却不在于此, 就如同牛顿发现万有引力定律的伟大之处不仅仅是由于苹果树的启发, 是在于观察到现象之后进行了有逻辑的联想与思考。意识到月球和小球的运动极为相似, 两种力量作用于小球, 就是通过旋转产生的向外离心力和皮筋的拉力。同样, 也有两种力量作用于月球, 就是围绕地球旋转产生的离心力和地球的吸引力——重力。正是在重力的作用下苹果落地, 也铸就了天体物理学方面万有引力研究的神话，因此, 关键的内容在于对观察到的现象进行的分析与思考,并将这些分析与思考的结果总结成原理性可供他人借鉴的经验。

有人会说, 供他人借鉴的参数是要经过反复验证和研究的长期结果, 那么有没有能够快速模拟物理真实或大片中神奇效果的经验呢? 关于这点可以说有也可以说没有, 如果说有是因为我们使用的三维软件和插件中本身就集合了大量的实验信息和物理数据, 以这些数据和计算机图形学的计算方式相结合, 产生了现在我们正在使用或是学习使用的工具, 这整工具有些用起来很快速, 很容易就出效果, 但是麻烦在于这些快速呈现出来的效果会正好是想要模拟的这个镜头效果么? 或者拍摄了一段简单的视频, 那么即使通过测量输入了真实的数值,这些快速的工具插件能否模探出和拍摄视频一致的效果呢? 肯定还是会有很大的差距。那么减少这整差距的方法就需要我们通过努力观察, 记录缺失了现实世界中的哪些内容, 它们会对解算的结果形成怎样的影响, 然后通过探索和研究获取减少这些差距的方法。