影视特效制作需要哪些物理知识（三）之刚体、流体、粒子

四、刚体、柔体与流体

1 刚体

拥有固定的形状和尺寸, 不随事件和时间而变化; 在物理学中, 理想的刚体是一个有限尺寸, 可以忽略形变的固体。不论是否要到作用力, 在刚体内部, 点与点之间的距离都不会改变。在经典力学里, 刚体通常被认为是一个连续质量分布体; 在量子力学主动刚体与被动刚体接触产生碰撞; 被动刚体里, 刚体是一群粒子的聚集。

分子有时候也被视为由电子与核子组成的刚体, 刚体的空间组态决定其质心位置与其定向。

刚体具备的基本元素: 力场, 刚体的初始位置, 初始速度、冲击碰撞速度、质量、弹性、摩擦力等，在三维软件中, 刚体是无法弯曲形状的多边形或曲面等。

2 主动刚体和被动刚体

主动刚体与被动刚体接触产生碰撞，被动刚体在碰撞过程中本身并不发生形变或位移，可以使用手动动画进行调节。主动刚体则不能直接操作，需要通过动力学解算来获得模拟真实运动的效果，下落的篮球、抛洒的硬币飞出去的子弹等都属于主动刚体；地板或墙面等部分往往属于被动刚体。

刚体的质量决定了刚体碰撞的程度。刚体的质量越大, 碰撞的效果越强; 刚体的质量越小, 碰撞的效果越弱。

刚体的质心点决定了刚体碰撞反弹的效果。当刚体的质心点不在物体中心时, 它会围绕质心发生旋转。会像不倒翁一样的来回摇摆。在三维软件中进行解算的时候需要通过更多的内容, 例如将多个物体成组的方法来改变刚体的重心。从而解算出真实的摆动效果, 图显示的是刚体碰撞产生的坍塌效果。

刚体的静态摩擦力和动态摩擦力:

为了不让主动刚体在碰撞后无限地运动, 必须有一个外力来阻止它。

刚体的速度取决于参考原点的速度。刚体的加速度取决于参考原点的加速度, 刚体的角速度是刚体的角位置对于时间的导数。刚体的角加速度是刚体的角速度对于时间的导数, 从局域参考系观察刚体质点的位置, 刚体的刚性表明了这个位置与时间不相关。可以通过位置、速度加速度等参数来描述刚体的平移运动, 可以用刚体内任意一点作为考点, 但是实际上平时需要选择整个刚体的质心; 当质心被选作参考点时, 可以用轴、较链、万向轴等对其进行连接, 保持运动为零。

刚体的动量与刚体旋转运动无关。在任何时间, 动量等于刚体的总质量乘以平移速度, 不论刚体平移运动为何数值, 对于质心的角动量皆等同。所以, 在计算角动量时, 可以忽略平移运动。在任何时间, 角动量等于惯性张量乘以角速度, 如果知道刚体环绕主轴的角速度, 那么对应于每一主轴的角动量, 是对应的主惯性矩乘以对应的角速度; 力矩是转动惯量乘以角加速度, 在无外力作用下, 可能形成的运动为等速直线运动, 稳定绕固定轴旋转运动, 无力矩的运动等。

作用于刚体的净外力, 等于总质量乘以刚体平移运动的加速度( 也就是说, 不论净外力力矩是否为零, 或者这刚体是否在做旋转运动, 牛顿第二定律都可以正确应用于刚体平移运动); 总动能是平移动能与旋转动能的总和三维软件中刚体解算在动力学中是应用最广的范围, 包括物体之间的碰撞, 掉落、破碎等特效都是由刚体解算完成的, 所以了解刚体的物理参数是进行正确解算的前提。除前面介绍的实验的方法之外, 查询常用物体的密度物理数据, 然后根据实际模型大小进行估算也是常用的方法刚体和粒子共同作用制作的地面塌陷的效果如图所示。

3 柔体

柔体是可以平滑地按照曲面方式生成出物体运动变化形态的物质, 与刚体不同, 柔体的体积会在一定的调节下发生较大变化, 如果柔体包含了粒子对象, 那么它将与粒子有相同的静态和动态属性例如, 图所示的这张柔体旗帜, 就是一个受涡流, 重力和每粒子目标权重影响的物体。

4 流体

流体是在单位面积上受力后将会发生连续变形的物体。流体没有一定的形状, 可以改变成任意的形态或者是分裂, 气体和液体都属于流体。气态的流体可以扩散, 其体积不受限制, 也没有固定形状, 典型的气态流体包括空气的流动, 但空气无法直接在三维空间中被视觉化, 只能通过空气对其他内容的影响来表现。液体状态的质体可以流动或扩散, 但是液体会有一定的体积水是液态流体表现是多的内容, 大量的水一海洋, 也是液态质体表现的范围, 如图所示。

在三维软件的解算中流体需要在一定的容器内才能够进行模拟。

解算的流体往往包括静态流体和动态流体。

下图展示了Maya 中的流体库文件, 允许使用者根据镜头的需要对流体进行调用。

静态流体通过扩展调整也可以制作出翻滚的云团的效果。

动态流体可以通过自带的海洋材质进行调节。可以调节流体形态, 以及泡泡沫等, 图所示为Maya中的海洋流体库文件。

在制作远景及大面积的海洋表现时，利用 Maya ocean 就能够模拟出很好的效果, 但是模拟出的波浪和浪花等效果不会很精细, 根据影视镜头制作的需要可以采用更多的软件和插件来解决。制作精细的浪花、水花及泡的效果可以使用 Houdini、Realflow 等软件来进行进一步的计算。可以支持特写镜头中所需表现出的水的动态细节。

流体效果也可以和刚体效果结合应用, 创建出诸如水流冲堤坝或建筑的效果。

图中显示了刚体和流体碰撞并使刚体产生破碎的效果

五、粒子的作用

粒子实际上也是物理学概念, 但这种概念比较抽象, 粒子泛指能够以自由状态存在的最小的物质分组，无论这种物质本身是什么, 中子、质子等概念都属于粒子的一部分, 实际上也就是我们抽象成微小颗粒的物体概念。

既然粒子的概念确立了, 首先要确立这些粒子从哪里诞生。在自然界, 粒子可以无处不在, 但是对于影视特效来说, 粒子的存在是为了表现特定的画面效果, 因此它们必须在空间中的某位置或者是某个物体的表面甚至是其他的粒子上产生。在三维软件中粒子诞生的位置需要使用到粒子发射器。例如, 如果用粒子来制作草地，粒子就生长在地面模型网格上; 如果用粒子来表现烟花, 那么粒子会从接近地面的一点位置发射, 上升到天空并散开。这都是由不同发射器定义的粒子位置。

在物理世界中粒子很少保持相对静止的状态, 它们总是喜欢保持运动, 从而获取活力和能量。在制作影视特效的三维软件中它们的运动形态依然是模拟物理世界的重点。因此同前面所描述的刚体、流体物质一样, 粒子也受到各种外部条件的影响, 粒子的运动可以通过关键帧或表达式控制, 也会受到各种场的控制。不仅如此,粒子自身之间也存在着相互作用, 其中包括相互间的吸引力、相互排斥、新粒子的产生和粒子衰变等。于是粒子运动速度、形态的控制就允许有各种各样的变化, 由星体颗粒粒子构成的绚丽星云如图所示。

我们看到的星云是典型的粒子状态, 星云是由极大量的恒星、行星等共同构成, 它们是相互之间没有穿插和碰撞的独立个体, 由于各自距离的远近使得发射出的光芒达到地球的时候形成了绚丽的色彩。这种效果在三维软件中也可以进行模拟, 但是粒子的数量会受到不同计算机性能的影响。

特效镜头和软件简单的粒子的工作流程包括:

了解前期艺术概念草图→创建粒子并确定发射器的位置→进行物理参数调节→通过脚本或表达式进行控制一一渲染设置缓存渲染

这里面会有一系列的软件技术性操作。在计算机中进行模拟解算的情况下, 粒子的概念还可以扩展延伸到其他的超过一个以上的个体概念当中。这时候允许我们使用粒子替代。例如, 在影视作品中常见的远景中的大量人物的特效制作。单个的角色动画制作已经是非常困难的事情, 而一大群的角色相互之间还要产生不同的变化, 如果手动调整会非常耗费时间和人力。通常这时候对远景中的相似度较高的角色就可以使用粒子替代的方式来制作。当然还需要对粒子进行动力学方面的控制或者是参数控制, 使替代的角色和物体之间不会出现穿插效果, 并且调节粒子之间的材质、动画、变形器等随机数值, 使粒子之间产生一定的差别, 不至于形成过于整齐的感觉。用表达式和动态素材制作出的粒子替代效果如图所示。

战争场景中的庞大的军队往往使用了粒子替代的技巧, 如图所示, 图片展示了主角前面由粒子群集渲染出的庞大军队效果。

粒子替代后, 新的形体还可以作为刚体进行进一步的解算或者是将新的表面作为粒子的发射器都是在影视特效镜头中常见的做法。粒子替代的应用范围非常广, 例如, 制作群集类( 如街上的人群、水中的鱼群、万马奔腾、车辆运动等) 内容的时候都可以使用到。

粒子由于其形体的自由运动非常广泛。可以制作出几乎各种各样的动画效果, 还可以使用动画倒放来播放这段内容。能够使原本正向从一点发散飘离或下落的物体由于时间的重复变为聚集和融合。

本教程通过介绍动力学中的物理参数来说明我们平时在影院或电视中看到的特效镜头是如何积累经验并一步一步完成的。这里面既包括我们对周围细节事物的观察, 也包括了一些技术的运用, 但作为学习者了解基本的物理学实验, 方便我们通过尝试、探素和挖据, 并最终总结出影视特效镜头制作的方案, 实现出最终我们想要呈现的自然逼真的效果。