数字合成中发光粒子和体积云表现

王丽莎 周丽

摘要：发光粒子和体积云表现是数字合成中一个非常宽泛的话题，也是一个难题。然而目前大量的影视作品中粒子和体积云效果并不让人满意，本文将结合笔者工作经验就数字合成中如何提高发光粒子和体积云的数字合成真实感做一些探讨。

关键词：数字合成;发光粒子;体积云

Abstract：The presentation of luminescent particles and the volumetric cloud is both a very broad topic and a tough problem in digital compositing.However，the current luminescent particle and volumetric cloud's effects in a large number of film and television works are not satisfactory.This paper will combine the author's own work experience to discuss how to improve the sense of the reality of luminescent particles and volumetric cloud in digital compositing.

Key Words：Digital;compositing;Luminescent Particles;Volumetric Cloud

1关于发光粒子和体积云话题

发光粒子作为一种抽象的艺术表现手段，在影视作品中大量出现，与之对应的实际表现形式有游动的光线、空中散开的礼花、宇宙中的星系、发光尘埃等。体积云也在大量的影视作品中出现，空中飘浮的白（乌）云、云海、山雾、龙卷风等。这些影视合成元素非常常见。它们的真实度可以对影像作品的表达呈现起到画龙点睛的作用，因此这是一个值得深入探讨的话题。很多影视制作人员制作的合成效果不好，是因为脱离了实际仅通过软件来思考如何模拟对象。但实际上我们应当反过来，用更多的时间去观察分析被模拟的事物本身，然后抽象分析并总结出特征属性，再进行模拟。

2发光粒子表现的特征分析

发光粒子是一个抽象的表现元素，为了体现出真实的数字合成效果，却是一个复杂的问题。发光粒子的表现可以参照现实生活中几种典型场景，空中绽放的礼花、夜晚游动的萤火虫，烧火时飘忽不定的火星等。很多特征是基于物理或化学规律的，如果发光粒子不能准确反映出这些场景中发光粒子的特征将会导致表现力的急剧下降。

2.1空中绽放的礼花粒子分析

2.1.1绽放礼花粒子运动，从发射到空中炸开，所有发光的粒子都是火药在空中燃烧的结果。礼花弹丸被快速推向高空，爆炸散开坠落的过程这些粒子的运动必然遵循物理规律。火花粒子受到重力的影响，爆炸散开坠落的过程受到空气阻尼，空中散开还可能受到空气中的风和其它扰动气流影响从而产生变化。这些都属于动力学的范畴，每个粒子受到几个不同作用力共同影响，每帧画面中对每个粒子位移做遍历计算，不难求出其运动轨迹。

2.1.2绽放礼花粒子燃烧，每个火药微粒的大小、速度、成分和燃烧条件都不尽相同，从而形成了色彩不同、燃烧时间不同、发光强度不同的闪烁微粒效果。微粒往往会继续爆炸，分裂出更多粒子和形成发光的拖尾。

2.2游动萤火虫和火星分析

游动的萤火虫，它们为了寻找配偶在空中飞舞，空中飞行轨迹是随机的，但又不是毫无目的乱飞，局部可以有排斥和吸引、分散和聚龙等现象。发光的规律也不简单，萤火虫的闪光模式包含了许多子参数，如雄萤特异性闪光模式（Maleflash-pattern）、雄萤特异性闪光间隔（Maleflash pattern interval）、雌萤回应时间（Female response delaytime）和雌萤闪光时间（Female flash length）。不同萤火虫的闪光信号差异非常大，同种萤火虫不同行为具有不同的闪光信号。研究发现只有在Photinus pyralis雄萤闪光2s时发出一个模拟的回应闪光，才能引诱到雄萤。Photinus scintillans的雌萤只对间隔为0.13～0.16s的闪光做出回应，而对间隔为0.20～0.34s的闪光并不回应[1]。当然我实际影视制作无需如此复杂，一般也就用一个随机闪烁来代替，结合考虑这些研究者提供的萤火虫闪烁数据，可以从本质上提高表现的真实度。燃烧的火星相对简单，随着上升的热气流飘动，逐步随着时间推移变得越来越暗淡。

2.3发光粒子的特征总结

2.3.1礼花弹丸大小不同粒子发射源有大小属性;每个粒子具备各自的大小、亮度、颜色、速度（爆炸）;粒子可能会二次爆炸产生新的粒子;飞行中產生发光的拖尾;粒子会受到重力场影响（坠落）;受到空气影响（阻尼、浮力、扰动）;所有这些属性都应当有各自随机性，也可以时间做变化的函数。

3体积云的表现特诊分析

3.1游动变化的白（乌）云，云层、云雾、龙卷风

广义的分析，其实体积云也是一种粒子表现，当然也可以划分在流体体系中。云和云层形态相对稳定，主要体现在边缘部分随机变化，整体形态缓慢变化，云层云雾主要是体积大小区别。龙卷风是体积云的一种特殊情况，是一类局地尺度的剧烈天气现象。按形态和产生环境，龙卷风可以分为多涡旋龙卷、陆龙卷、水龙卷等。简单分析其成因可以有助于对其表现的模拟。龙卷风这种自然现象是云层中雷暴的产物，具体的说，龙卷风就是雷暴巨大能量中的一小部分在很小的区域内集中释放的一种形式。龙卷风的形成可以分为四个阶段：

（1）大气的不稳定性产生强烈的上升气流，由于急流中的最大过境气流的影响，它被进一步加强。

（2）由于与在垂直方向上速度和方向均有切变的风相互作用，上升气流在对流层的中部开始旋转，形成中尺度气旋。

（3）随着中尺度气旋向地面发展和向上伸展，它本身变细并增强。同时，一个小面积的增强辅合，即初生的龙卷在气旋内部形成，产生气旋的同样过程，形成龙卷核心。

（4）龙卷核心中的旋转与气旋中的不同，它的强度足以使龙卷一直伸展到地面。当发展的涡旋到达地面高度时，地面气压急剧下降，地面风速急剧上升，形成龙卷风[2]。因此龙卷风是体积云剧烈运动的一种特殊情况，其最大特征是螺旋上升和旋转。具有上下大小不同特点，要么是空中部分是大头，从地面螺旋上升到空中，还有一种是地面是大头从地面开始旋转发生，逐步上升到天空。当龙卷风稳定形成后，可能会形成类似管道的稳定形状，所有的流动部分都具有扰动和随机的变化。

4发光粒子表现的典型软件方案

发光粒子的模拟软件众多，几乎所有的二维合成三维软件都有相应的模块和解决方案。就使用的难易程度而言，二维模拟相对三维模拟较为容易。二维软件AE经典粒子插件Trapcode Particular最为著名，三维粒子C4D的 X-Particles应用也十分广泛。虽然二维三维软件的操作流程不尽相同，但模拟的基本原理和很多结构非常类似，本文以Particular为例展开讨论。我们已经通过预先的分析总结出了发光粒子的一些共同特征和属性，当我打开Particular软件的时候，就能发现软件的架构和体系与我们分析的特征和属性非常吻合，在此基础上理解这个软件就变得十分容易。粒子Emitter发射类型决定了是一个区域飞行粒子（萤火虫）、还是上升的火星，或者是一个点（礼花爆炸）。Direction确定了运动基本类型，是随机飞行还是Outwards类似爆炸。Velocity和Velocity Random确定了粒子飞行速度和变化程度。粒子当然具备独自的大小、颜色、透明度、生命等属性。而这些属性中都有一个对应随机值程度来控制所有粒子的不同变化。这里最为重要的一点，粒子的属性Size over Life、Opacity over Life、Color over Life如果简单看字面意思大小、不透明度和颜色的生命周期，看不出特别之处。然而很多影视作品粒子表现的非常暗淡虚假就是没有深入分析和了解这几个属性的含义。尤其是这三个属性还会有一个以时间为横坐标，以Size 、Opacity、Color 为纵坐标的变化函数，这些函数可以随着时间横坐标的变化而改变修订自定义值。然而这个参数的关键含义在于，如果每个粒子的life相同，以时间为横坐标，根据图中的函数映射每个粒子的不透明属性，将会形成节奏一致的忽明忽暗的闪烁效果。但通过我们实际分析已经知道，每个粒子因为大小成分条件不同，闪烁和色彩等都是随机变化的，因此增大life的随机属性，让每个粒子的寿命不同，因此横坐标TIME所对应的时间长度因为每个粒子的life不同而异，从而让Opacity over Life与life Random 共同作用下形成粒子闪烁变化的效果。同理可形成不同大小和色彩的以时间为参考的随机变化，这就是真实表现发光粒子最为重要的技术核心。Physics模块下的Gravity和Air很容易理解。值得注意的是Air Resistance可以有效模拟粒子在空气中受到阻尼的停滞效果，以及Wind风场和Turbulence Field扰乱场来模拟空气中粒子的运动效果。Aux Systom可以模拟拖尾和二次发射粒子效果。

5体积云表现的典型软件方案

体积云的表现目前著名三维软件C4D，3Dmax，Maya等都有各自的解决方案，但最为方便最为的强大的表现工具仍然是业界公认的Houdini，Houdini可以方便的输出工业标准的VDB文件给第三方软件，从而使得体积云制作渲染多了一个重要的途径。体积云白云表现，制作思路为Houdini引入基本几何体，获得形状基础，利用扰乱场将形态做一定变化，可利用表达式对边缘和中心部分进行判断，从而将边缘部分区域的扰乱值加以权重的区别，大大增加真实感。龙卷的风的模拟一般分为4种方法

（1）利用速度场的骨架构建螺旋上升的形态，几个多圈螺旋线交替上升。然而通过实际模拟这种形成的龙卷风效果会有明显规律的凹槽效果，类似一颗螺丝钉的螺纹，可以利用扰乱场将边缘的云打散，也可以利用表达式对边缘具体速度的部分进行判断分析从而决定使用多大的扰乱程度，这样使得随机性和真实性得到提高。

（2）利用现有的管状几何体的基础上形成龙卷风效果，这个效果更接近龙卷风形成后稳定状态的模拟，这样的好处在速度场类非常稳定的跟着扰动的变化，便于更改位置形成不错的流体效果，适当的改变turbulence的扰乱效果，可以获得不同的模拟状态。

（3）创建一个设定龙卷風外形的SOP，利用这个SOP产生运动的轨迹外壳去制作龙卷风。这样获得的外观比较可控，能获得一个更加接近创作者想表现的任何形状的龙卷风。

（4）利用表达式和和编程来直接写一个龙卷风，利用程序直接写出力场，包括里面的流动和物理规律，但如何获得一个更加真实可控程序是一个十分艰难的迭代过程。

6总结

数字合成中发光粒子和体积云表现，并不是一个简单话题，要能完美的表现这种数字合成效果是一个永无止境的追求过程。在着手项目之前，如果能深入了解事物现象的本质原因，理解事物形成的规律，再利用软件或者开发软件来模拟这些现象，相信能获得更加优质的效果。

参考文献

[1]萤火虫（鞘翅目：萤科）两性交流中的闪光信号.中国知网.2005

[2][王继文，郭丽萍.龙卷风形成原因及其危害[J].黑龙江水利科技，2011（3）：165-165.