淺談基于Maya動(dòng)力學(xué)的粒子群效果模擬

何柳青

摘要：Maya的粒子和動(dòng)力學(xué)在影視和游戲制作領(lǐng)域已得到業(yè)界廣泛的認(rèn)同，各種自然界天氣和爆破特效一直是計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫(huà)表現(xiàn)中最熱門(mén)的研究課題之一。使用Maya粒子以及動(dòng)力學(xué)可以最大程度地模擬自然界的現(xiàn)象。該文通過(guò)研究粒子群的運(yùn)動(dòng)原理，結(jié)合MEL語(yǔ)方來(lái)滿(mǎn)足實(shí)際的制作需求，以實(shí)現(xiàn)用粒子群表現(xiàn)各種逼真的自然效果。

關(guān)鍵詞：粒子群；三維動(dòng)畫(huà)；動(dòng)力學(xué)；MEL

中圖分類(lèi)號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）27-6550-03

Abstract： Particles and dynamics of Maya in the film and the game has been widely recognized， all kinds of weather and blasting effects of nature has been one of the most popular research topic in computer 3D animation performance. The use of Maya particles and dynamics can maximize the simulation of nature phenomenon. In this paper， through the study of particle swarm motion principle， to meet the needs of actual manufacture combined with MEL language， to achieve the effect of particle swarm performance with natural lifelike.

Key words： particle swarm； 3D animation； dynamics； MEL

在三維工作流程中，有時(shí)需要對(duì)部分動(dòng)畫(huà)片斷進(jìn)行群集處理，如果按常規(guī)方法則對(duì)成千上萬(wàn)的對(duì)象無(wú)從入手，因此粒子群集動(dòng)畫(huà)則是擬補(bǔ)了這方面的空缺。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域中，粒子系統(tǒng)在很早以前就已產(chǎn)生。六十年代的電腦游戲已經(jīng)使用粒子系統(tǒng)來(lái)模擬特效。各個(gè)軟件的粒子算法都有不同，該文以主流軟件Maya來(lái)探討這個(gè)問(wèn)題。重點(diǎn)在于如何結(jié)合Maya表達(dá)式來(lái)更好地控制粒子群的各種屬性變化。

1 粒子群的運(yùn)動(dòng)原理

粒子群由粒子系統(tǒng)控制，通常由粒子發(fā)射器生成，現(xiàn)實(shí)中的塵埃、星云、人群等都可以理解為粒子群，但粒子從廣義上能表達(dá)更多的事物效果。粒子系統(tǒng)是由無(wú)數(shù)個(gè)規(guī)則或不規(guī)則的粒子組成的群集，它是一個(gè)內(nèi)部封閉的系統(tǒng)，但它卻可以受外力控制。粒子群中的每一個(gè)粒子可以有統(tǒng)一的屬性，也可以設(shè)置隨機(jī)的屬性，通常使用后者。粒子與粒子之間可產(chǎn)生動(dòng)力學(xué)碰撞，但這個(gè)動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)必須遵循粒子系統(tǒng)的整體運(yùn)動(dòng)設(shè)置。

粒子系統(tǒng)在某一時(shí)刻通過(guò)隨機(jī)運(yùn)算來(lái)產(chǎn)生粒子的數(shù)量，產(chǎn)生的粒子的基礎(chǔ)屬性一般是隨便機(jī)的，比如空間坐標(biāo)、大小、透明度及生命周期等，這些基礎(chǔ)屬性在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)隨機(jī)性地發(fā)生改變。這樣的隨機(jī)性很適合模擬不規(guī)則運(yùn)動(dòng)物體及特殊效果。

除了以上粒子屬性，粒子還可以使用MEL腳本進(jìn)行高級(jí)控制，這通常需要添加粒子的自定義屬性。制定屬性對(duì)于Maya粒子的基礎(chǔ)屬性沒(méi)有直接影響，它一般使用在MEL表達(dá)式上，從而控制各屬性之間的關(guān)系。

粒子系統(tǒng)運(yùn)作的流程大致如下：1） 生成最新的粒子，與現(xiàn)有的粒子組成粒子群；2） 令到達(dá)生命期限的粒子消失；3） 剛生成的粒子帶有所有粒子都有的通用屬性，而屬性的值均為原始值；4） 粒子的運(yùn)動(dòng)屬性對(duì)粒子產(chǎn)生隨機(jī)的的變化；5） 粒子的消亡與產(chǎn)生在粒子群中形成一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。

2 粒子群在運(yùn)動(dòng)模擬時(shí)存在的問(wèn)題

我們?cè)谑褂昧Ｗ影l(fā)射器產(chǎn)生粒子后，使用某一幾何體模型替代粒子，發(fā)覺(jué)所產(chǎn)生的粒子全部都是相同屬性控制并沒(méi)有隨機(jī)屬性。在現(xiàn)實(shí)中粒子通常有大小、旋轉(zhuǎn)、方向的隨機(jī)屬性，而在Maya的粒子基礎(chǔ)屬性中找到這些控制參數(shù)，但卻完全不是我們所需要的效果，如圖1所示。

假如我們要模擬一個(gè)石塊爆破場(chǎng)景，那么石塊必須是大小各異，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)有自旋和方向的隨機(jī)性質(zhì)。在其他三維軟件中，這些控制參數(shù)基本都是直接在軟件中進(jìn)行控制的，

在Maya里并沒(méi)有能直接控制這些屬性的參數(shù)。

綜上所述，粒子群在模擬運(yùn)動(dòng)效果時(shí)存在以下幾點(diǎn)待解決的問(wèn)題：1） 使用隨機(jī)模型替代粒子的初始形態(tài)；2） 粒子的初始大小的隨機(jī)性；3） 粒子的初始隨機(jī)角度；4） 粒子發(fā)射過(guò)程中的自旋運(yùn)動(dòng)。

3 粒子群動(dòng)力學(xué)控制的實(shí)現(xiàn)

在Maya軟件里對(duì)于很多效果并不能像3ds max那樣直接控制，但是Maya的強(qiáng)大之處在于它的可調(diào)性強(qiáng)，但這需要對(duì)軟件有比較扎實(shí)的基礎(chǔ)，比如表達(dá)式的使用。Maya要實(shí)現(xiàn)一個(gè)效果通常需要用到幾個(gè)步驟，而在3ds max里則只要調(diào)一下面板的參數(shù)即可，但前者的靈活度卻遠(yuǎn)大于后者。

在使用幾何模型替代粒子時(shí)，為了盡量模擬更加真實(shí)的效果，我們通常使用多個(gè)不同的幾何模型來(lái)模擬粒子的形態(tài)。使用粒子替代后，發(fā)現(xiàn)粒子替代第一個(gè)幾何模型。前面提到的粒子爆破效果我們可以通過(guò)添加自定義屬性再配合MEL表達(dá)式來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種實(shí)現(xiàn)的效果遠(yuǎn)比其他三維軟件要理想。在Maya中我們可以通過(guò)rand函數(shù)來(lái)控制粒子的隨機(jī)性質(zhì)。我們創(chuàng)建一個(gè)新的自定義屬性4 總結(jié)

本文從實(shí)際應(yīng)用需要的角度來(lái)嘗試模擬真實(shí)粒子群運(yùn)動(dòng)的效果，大致上解決了粒子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的各種屬性的變化。這僅是粒子運(yùn)動(dòng)的其中一部分，鑒于粒子數(shù)量較多且體積較小，因此沒(méi)將粒子的碰撞計(jì)算進(jìn)行探討。

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