基于Maya粒子与流体的 自然现象模拟---毕业论文

本 科 毕 业 论 文基于Maya粒子与流体的自然现象模拟Simulation of Natural Phenomena Based onParticles and Fluid Effects of Maya姓 名： 学 号：学院：软件学院系：软件工程专 业：软件工程年 级：指导教师： 副教授 助教 年 月V摘要 随着CG技术的发展，三维特效与人们生活的联系变得越来越紧密，创造了巨大的商业价值。我国的三维特效行业还处于起步阶段，拥有广阔的市场空间和强劲的发展潜力。因此，对三维特效进行研究是非常有意义的。 本文研究目的是探索简单高效地运用Maya粒子和流体模拟自然现象的方法，主要任务是实现云层、下雪、龙卷风和火山喷发效果。论文中使用Maya流体模拟云层取得了比较好的效果，并且比较真实地模拟了熔岩的材质。在龙卷风的实现方法中，使用Maya变形器取代力场和表达式，再通过骨骼来操纵变形器，实现了对粒子的灵活控制，具有一定参考价值。论文首先分析了行业现状和研究价值，介绍了相关的软件和主要技术。其次详细阐述了对四种自然现象的实现过程，本文使用粒子系统模拟下雪、龙卷风和火山灰，使用流体特效模拟云层、爆炸和熔岩。并且分析了选择不同实现方法的原因，介绍了后期制作的过程。最后对工作进行了总结，并提出了以后的改进计划。关键词：自然现象模拟；Maya粒子；Maya流体AbstractWith the develop of Computer Graphics, 3D effect becomes more and more familiar to people, while it creates huge commercial benefit. 3D effect industry of our country is still in a beginning stage which has wide market space and powerful develop potential. Therefore study of 3D effect is very meaningful.The study purpose of this dissertation is to find simple and efficient methods which use Maya particles and fluid effects for simulating natural phenomena. The main task is to simulate cloud layer, snowing, tornado and volcano eruption. The simulation of cloud layer which using Maya fluid effects obtains good effect. And the material of lava is true to nature. During simulating tornado, this dissertation uses Maya deformers to replace force fields and expressions, while using skeleton to operate the deformers. This method can control the particles conveniently, so it makes sense.Firstly the dissertation analyses current situation of 3D industry and studying value. Then it introduces related softwares and main technology. Secondly the dissertation expounds the simulation process of the four natural phenomena. This dissertation uses particle systems to simulate snowing, tornado and volcanic ashes, while using fluid effects to simulate cloud layer, explosion and lava. It also analyses the reasons of choosing these methods. Then it introduces the post process. Finally this dissertation summarizes the work and puts the improving project in the future.Key words: simulation of natural phenomena; Maya particles; Maya fluid effects目 录第一章 引言11.1 研究背景与研究意义11.2 国内外行业现状31.3 论文组织结构3第二章 相关软件与主要技术概述42.1 相关软件42.1.1 Maya简介42.1.2 After Effects简介52.1.3 Premiere简介62.2 主要技术72.2.1 粒子系统概述72.2.2 流体特效概述72.2.3 骨骼概述82.2.4 变形器概述82.3 本章小结9第三章 自然现象的模拟实现103.1 云层模拟103.1.1 云层分析103.1.2 云层实现103.2 下雪模拟123.2.1 下雪分析123.2.2 下雪实现123.3 龙卷风模拟143.3.1 龙卷风分析143.3.2 龙卷风实现143.4 火山喷发模拟163.4.1 火山喷发分析163.4.2 火山喷发实现163.5 本章小结19第四章 自然现象模拟的后期处理214.1 Maya渲染214.2 After Effects后期合成224.3 Premiere后期剪辑与处理234.4 本章小结23第五章 总结与展望255.1 论文总结255.2 工作展望25参考文献26致 谢27ContentsChapter1 Introduction11.1 Research context and significance11.2 Current situation of the industry31.3 Structure of the dissertation3Chapter2 Introduction of related softwares and main technology 42.1 Related softwares42.1.1 Introduction of Maya42.1.2 Introduction of After Effects52.1.3 Introduction of Premiere62.2 Main technology72.2.1 Introduction of particle system72.2.2 Introduction of fluid effects72.2.3 Introduction of skeleton82.2.4 Introduction of deformer82.3 Summary of the chapter9Chapter3 Simulation of natural phenomena103.1 Simulation of cloud layer103.1.1 Analysis of cloud layer103.1.2 Simulation process of cloud layer103.2 Simulation of snowing123.2.1 Analysis of snowing123.2.2 Simulation process of snowing123.3 Simulation of tornado143.3.1 Analysis of tornado143.3.2 Simulation process of tornado143.4 Simulation of volcano eruption163.4.1 Analysis of volcano eruption163.4.2 Simulation process of volcano eruption163.5 Summary of the chapter19Chapter4 Post process of the simulation214.1 Maya rendering214.2 After Effects composition224.3 Premiere editing and processing234.4 Summary of the chapter23Chapter5 Summary and future work255.1 Summary of the dissertation255.2 Future work25References26Acknowledgements27第一章 引言第一章 引言1.1 研究背景与研究意义 随着CG（Computer Graphics）技术的发展，三维动画和影视特效与人们生活的联系变得越来越紧密，在影视、游戏、医疗、建筑、教育等众多领域都得到了广泛的应用。 尤其在电影方面，特效的应用颠覆了以往传统的拍摄制作模式。让人身临其境的逼真程度以及比自然状态更加震撼的视觉效果，都令观众感到叹为观止。2004年福克斯公司的电影后天，运用了大量气势恢弘的视觉特效，向观众展示了龙卷风、巨大海啸、全球降温等多种极端的自然灾害。如图1-1所示：图1-1：电影后天 2009年引起轰动的灾难电影2012，同样依靠出众的特效征服了无数观众。如果没用特效技术的应用，这部剧情老套的美国大片是不可能成为内地年度票房冠军的。如图1-2所示：图1-2：电影2012 虽然同样剧情俗套，但是凭借炉火纯青的视觉特效技术构建出的一个精美绝伦的虚拟星球以及上面生活的多姿多彩的生物，影片阿凡达创造了电影史上的奇迹。最终它以27亿美元毫无悬念地登上全球电影票房历史第一的宝座，并宣告了3D电影时代的来临。如图1-3所示：图1-3：电影阿凡达 由此可见，三维特效产业在创造巨大经济效益的同时，能够丰富人们的精神文化生活，获得可观的社会效益。该领域还拥有广阔的市场空间和强劲的发展潜力，因此进行三维特效的研究是非常有意义的。1.2 国内外行业现状 我国的三维特效制作行业起步晚、起点低，缺少有竞争力的从业公司和专业的技术精英，大中专院校对相关人才的培养力度不够。而国外从业人员众多，有不少由专业精英组成的著名公司或团队，在电影等大型项目制作方面有丰富的实践经验。不仅如此，国外的高等院校对视觉特效领域的研究也取得了许多有价值的成果。总的来说，国外的三维特效行业无论在理论研究还是商业应用方面都领先我国。虽然目前我国的三维特效行业还处于学习模仿的成长阶段，但市场潜力巨大，发展前景令人期待。1.3 论文组织结构 本论文共分为五章，研究的目的是通过使用Maya粒子和流体实现云层、下雪、龙卷风和火山喷发效果，探索简单高效地运用Maya特效对自然现象进行模拟的方法。论文具体组织结构如下：第一章介绍了研究背景和研究意义，国内外的行业现状，提出了论文的研究目的和主要任务。第二章根据论文目标，对项目制作所选择的主要软件和相关技术进行介绍，为实现部分的叙述作铺垫。第三章详细阐述了综合运用Maya粒子和流体技术对云层、下雪、龙卷风和火山喷发四种自然现象的实现过程，介绍了简单高效地模拟这些现象所涉及的关键属性和参数的调节方法。第四章介绍了将Maya中制作好的特效渲染成视频的方法，以及对视频进行后期处理所做的工作。第五章对论文完成的工作进行了总结，并提出了下一步改进的方向。27第二章 相关软件与主要技术概述第二章 相关软件与主要技术概述 上一章介绍了研究背景和研究意义，提出了论文的研究目的和毕设任务，本章将介绍为实现论文目标所采用的相关软件和主要技术。2.1 相关软件2.1.1 Maya简介 Maya是Alias/Wavefront公司在1998年推出的三维动画制作软件，已逐步发展成电影、动画制作行业的主流开发工具1。据统计，全球约有80%的游戏开发公司和出版公司的产品都是使用Maya开发的2。 2005年10月，Alias公司被Autodesk公司收购。2007年9月Autodesk公司发布了Maya 2008，至此Maya以全新姿态走进了人们的视野。现在全球三维动画及视觉特效制作领域中，Autodesk Maya已经居于领导地位。Maya为数字艺术家们提供了一系列灵活而实用的工具，帮助他们完成从建模、动画、动力学到绘制及渲染的全部工作，在电影、电视、游戏开发、可视化设计和教育领域始终保持着领先的优势。Maya可以帮助用户创建和编辑多种格式的三维模型，使用适当的动画工具带动模型活动起来。用户可以借助动力学计算和粒子系统创造出与物理世界一样真实的刚体、柔体动力学表现过程。Maya还提供一系列工具，帮助用户制作并渲染包含动画内容的场景，制作达到照片级真实的图片以及视觉效果3。 Maya2009新增加了一套全新的粒子系统nParticles，它使用了Maya Nucleus系统。Nucleus系统最大的特点在于，它不仅能和ncloth布料进行碰撞，而且支持粒子之间的碰撞与堆积效果。用户可以使用nParticles进行新动力学约束（nConstraints）来创造和以前大相径庭的新粒子特效4。Maya2009的工作界面如图2-1所示：图2-1：Maya2009工作界面2.1.2 After Effects简介 After Effects CS4是Adobe公司2008年底最新推出的影视合成编辑软件。After Effects CS4能对视频、声音、动画、图片、文本进行编辑加工，并生成最终的电影文件。它在多媒体制作领域有着举足轻重的地位，其特点包括5：（1）使用非线性编辑功能进行即时合成。（2）具有更加丰富的生产和创作选择，支持插件滤镜，包括与Photoshop兼容的插件滤镜。（3）可将在3ds Max、Maya等三维软件中制作的原始动态影像导入到After Effects中，并加以剪辑合成，以弥补三维软件合成能力的不足。（4）支持多种音频格式，用户可以方便的将音乐素材应用到电影中。（5）具有与其他软件整合的功能，比如Premiere Pro和Illustrator。 After Effects的工作界面如图2-2所示：图2-2：After Effects工作界面2.1.3 Premiere简介 Premiere Pro是Adobe公司的一款非线性的视频合成剪辑软件。它可以完成的制作任务有6：（1）将数字视频素材编辑为完整的数字视频作品。（2）从摄像机或录像机中采集视频，从麦克风或音频播放设备采集音频，加载数字图形、视频和音频素材库。（3）创建字幕和动画字幕特效，如滚动或旋转字幕。（4）将来自不同源的文件整合到作品中，可以创建扭曲、模糊和挤压等特效，创建标志或图形并使之在屏幕上运动。（5）创建透明效果，也可以在背景上叠化字幕，或者使用颜色蒙版一幅图像中的背景，以便叠化一个新背景。（6）编辑声音，剪切与组装音频素材，并创建复杂的音频效果，如交叉淡化与抖动。（7）创建切换效果，并以多种数字格式输出文件。2.2 主要技术2.2.1 粒子系统概述 在计算机图形学领域中，由于自然现象的复杂程度远远超过绝大部分人造物体，所以模拟自然现象总是最有挑战性的难题之一7。粒子系统（Particle System）是T.Reeves在1983年提出的一种模拟火焰、云雾、水体等模糊物体的方法8。Maya中的粒子对象是具有相同属性的多个粒子的集合，一个粒子对象中可以只包含一个粒子，也可以包含成千上万个粒子。场景中的每个粒子都属于某个粒子对象，使用关键帧、表达式和各种动力场都能控制粒子的运动9。 粒子系统的基本思想是用许多形状简单的微小粒子作为基本元素来表示不规则模糊物体10，每个粒子都要经历产生、运动和生长、最后消亡三个阶段。粒子系统是一个有“生命”的系统，因此可以对动态的自然现象进行模拟。生成系统某个瞬间画面的基本步骤是1：（1）产生新的粒子；（2）赋予每一个新粒子一定的属性；（3）删去已超过生命周期的粒子；（4）根据粒子的动态属性对粒子进行移动和变化；（5）显示由有生命的粒子组成的图像。2.2.2 流体特效概述 Maya中的流体特效（Fluid Effects）常用来制作模拟液体或者流体的运动效果11，它包括一个真实的三维解算器和一个高度交互式的二维解算器。Maya流体从形体上包含两个独立的实体：2D/3D流体和海洋效果。2D/3D流体的实体运行一个模拟引擎来实现流体流动，而海洋效果实际是错位贴图、复杂纹理和粒子的组合。因此2D/3D流体是流体模拟器，但海洋效果不是12。Maya流体制作的火焰效果如图2-3所示：图2-3：流体制作的火焰效果2.2.3 骨骼概述 Maya中的骨骼（Skeleton）是有层次的关节结构，可以定位和动画可变形的对象，骨骼的结构包括关节、骨骼、关节链、肢体链和层次组织2。蒙皮是建造角色模型的一种操作，既可以将骨骼绑定到模型，也可以通过两种不同的蒙皮方式将模型绑定到骨骼，包括平滑蒙皮和刚体蒙皮13。除了这两种直接的蒙皮方式，还可以使用间接蒙皮方式，它可以将晶格或包裹变形与平滑或刚体蒙皮联合使用。2.2.4 变形器概述 Maya中的变形器（Deformers）也被称为修改器，通常用于创建变形动画14。它有两种主要用途，第一是在建模时操作目标几何体的低层级元素，第二是在动画时驱动目标几何体的低层级元素。 晶格变形器（Lattice）可以用晶格环绕可变形的对象，然后操作晶格对象即可改变对象的形状。晶格是一个点组织结构，可对所有的可变形对象进行自由形态变化。在创建变形器效果时，可通过移动、旋转或缩放来编辑晶格结构，也可以直接对晶格点进行操作。晶格变形器对粒子的控制效果如图2-4所示：图2-4：晶格对粒子的控制效果 簇变形器（Cluster）可以创建一个由所选择的点构成的组，可以为组中的每一个点设置百分比权重，当对簇变形器进行变换时，组中的点会因权重的百分比不同而发生不同程度的改变15。2.3 本章小结 本章详细介绍了所使用的开发软件Maya、After Effects和Premiere，其中Maya是最主要的特效制作工具，After Effects和Premiere用于对Maya渲染出的序列帧进行后期合成和剪辑等处理。因为云层、下雪、龙卷风和火山喷发都是不规则的自然现象，所以选择Maya粒子和流体来模拟实现是最合适的。因此本章对Maya中的粒子系统、流体特效以及骨骼和变形器等重要技术作了介绍，为论文的具体实现部分作了铺垫。第三章 自然现象的模拟实现第三章 自然现象的模拟实现 上一章介绍了所采用的相关软件和主要技术，在此基础上，本章将详细阐述云层、下雪、龙卷风和火山喷发的模拟实现方法。3.1 云层模拟3.1.1 云层分析 每当抬头仰望天空的时候，变幻莫测的云层总是能引发人们无限的遐想。云是由许多细小的水滴或冰晶形成的，它没有固定的形状，会随着气流的运动而变化。逼真的云层对构建三维场景至关重要，因为它是天空的主要内容。模拟云层的关键在于两点：一是云层的不规则形状；二是云层的动态效果。 根据分析，如果使用粒子系统来模拟云层存在两个问题：一是云层要成型所需粒子数量巨大，运行效率低下；二是粒子运动难以精确控制，无法真实的展现云层的飘动。所以本文决定采用Maya的流体特效（Fluid Effects）来实现。3.1.2 云层实现 首先，创建一个三维容器（Create 3D Container），设置合适的大小，然后调整Resolution。由于Y方向不是主要展示的内容，所以分辨率可以设低一些。此时容器是空的，为了显示出流体方便观察修改，将Contents Method下的Density改为Gradient。把不需要的Velocity属性设为Off。其次，调节以下各项重要属性：（1）为使Opacity属性起作用，勾选Textures下的Texture Opacity。由于云层的不透明度需要在不同梯度上产生变化，将Opacity Input设置为Y Gradient，然后调节Opacity属性值。（2）因为云层带有透明的感觉，所以调节Shading下的Transparency属性，设置Dropoff Shape为Y Gradient，然后把边缘衰减（Edge Dropoff）设一个较大的值使云层边缘的过渡效果更柔和。接着勾选纹理（Textures）下的Inflection，根据需要调节Amplitude、Ratio和Frequency Ratio的值。另一个非常重要的属性是Depth Max，该值越大云层的细节越丰富，设置为4就能得到一个比较好的效果。（3）云层和天空的对比需要加强，所以调节Color属性。将Incandescence下的Incandescence Input设为Y Gradient让云层产生自发光，设置Incandescence的颜色为蓝色。调节Textures下的Frequency，该值越大云层越密集。为了模拟云层向外扩散的效果，调节Implode属性，控制云层向外扩散的程度，而Implode Center则是设置扩散中心所在的位置。云层看起来应该有立体感，所以勾选Lighting下的Self Shadow让云层产生自阴影。（4）可以通过调节Shading Quality下的Quality属性来提高渲染出的质量，该值越大质量越高，花费的渲染时间也越长。在云层的形状调节完成之后，关键在于让静态的云层产生飘动效果。为了达到云层纹理随时间变化的目的，需要在Textures下的Texture Time属性上赋值一个表达式，令该值“=time*0.2”。此处乘上的数值越大，云层运动越快。渲染后观察发现云层确实在运动。最后，需要添加一个蓝天的效果来替代此时的黑色背景。蓝天的制作过程是：（1）创建一个新的三维容器，尺寸要比云层大一些，把云层包裹在内，设置Opacity Input为Y Gradient，勾选Texture Opacity使Opacity起作用。天空的透明度应该降低到能看见其内部的云层，所以根据观察效果调节Opacity到合适的值。（2）调节Color属性，将天空设置成蓝色以衬托云层，再根据需要再调节一下纹理就完成了。如图3-1所示：图3-1：云层效果 通过调节流体的重要属性，较好地模拟了云层的不规则形状，并且利用表达式控制纹理变化，实现了云层的动态效果。实践证明，运用Maya流体能够高效地制作逼真的云层特效。3.2 下雪模拟3.2.1 下雪分析 片片雪花在空中缓缓飘落，这是许多人向往的美景。下雪是水或冰在空中凝结后再落下的常见自然现象，由于每片雪花既有共性又有个性，所以采用粒子系统来模拟实现下雪场景是最好的选择。3.2.2 下雪实现 首先，利用Maya2009新动力学（nDynamics）的nParticles下的Create nParticles命令，勾选Balls之后创建一个粒子发射器（Create Emitter），然后把发射器放到场景中合适的位置。其次，调节以下重要属性：（1）将Basic Emitter Attributes下的发射器类型（Emitter Type）改为体积型（Volume），然后修改发射器的大小使其形状变为一块平板。接着要让粒子落到地面后不穿透过去，而是留在地面。选中地面后执行nMesh下的Create Passive Collider命令，此时地面就产生了被动碰撞，粒子掉落到地面后会产生反弹而不是穿透。（2）为了使粒子生命周期随机，调节粒子的Lifespan属性。将Lifespan Mode设置为Random range，将Lifespan和Lifespan Random根据需要设置合适的数值。由于雪花粒子的大小不应该是统一的，所以通过将Radius Scale下的Radius Scale Input设置为Randomized ID，然后将Radius Scale多设置几个不同的值就能让粒子大小随机。粒子降落到地面后不应该反弹，因此需要去除粒子的弹性，所以将Collisions下的Bounce改为0，再将Stickiness设为2防止粒子在地面滚动，然后到Shading设置颜色。如图3-2所示：图3-2：下雪效果（3）然后根据需要可进一步调节粒子的Opacity Scale等细节属性让雪花的效果更好。接下来制作一个积雪压弯树枝的特写镜头，选中带有积雪的树枝，执行Animation模块Create Deformers下的Cluster命令创建一个簇变形器。此时所选中的树枝已经可以单独控制运动了，但是还很不自然，所以利用Edit Deformers下的Paint Cluster Weights Tool对树枝刷权重。双击左边工具条的Paint Attributes Tool可以进入属性设置，在Paint operation中选择Smooth，然后不停点击Flood。最后，将Paint operation改为Add，由Value值控制权重强弱，调整笔触大小，进一步细化调整。如图3-3所示：图3-3：树枝动画最后，设置树枝动画的关键帧，先在初始位置创建一个关键帧，然后调整树枝的位置，让树枝向下弯曲到合适的程度，此时再创建一个关键帧就完成了。 运用Maya动力学模块的粒子系统，较好地模拟了下雪这一自然现象，并且通过树枝被积雪压弯的小动画，增强了真实感。3.3 龙卷风模拟3.3.1 龙卷风分析 龙卷风是在极不稳定的天气条件下由空气的强烈对流运动而产生的，表现为一种伴随着高速旋转漏斗状云柱的强风涡旋，它具有很强的破坏力。要模拟龙卷风有两个关键点：一是控制龙卷风云柱的形变和运动；二是制作龙卷风对地面的破坏效果。基于龙卷风的特点，决定选择粒子系统来实现。但是使用动力学的力场或者表达式来控制粒子运动都不是很方便，所以尝试使用变形器来控制粒子。3.3.2 龙卷风实现 首先，创建一个NURBS的圆环（Circle），选中该圆环，在动力学模块中执行Emit from Object命令，创建一个从圆环发射粒子的粒子发射器，并将发射类型改为Curve。其次，按照以下步骤操作：（1）粒子不应该向其他方向扩散而是要垂直向上运动，所以调整发射方向为向Y轴正方向发射，再将粒子的法线方向速度（Normal Speed）置0。为了让粒子上升到一定高度后消失，将粒子生命周期（Lifespan）改为恒定模式（Constant）并给一个合适的数值。将粒子的渲染模式改为Sprites，然后给粒子赋一个贴图文件并修改透明度等参数作为纹理。（2）切换到Animation模块进行对粒子的控制制作，在粒子运动到最高点的时候选中粒子，执行Create Deformers下的Lattice命令创建一个晶格变形。要达到更加平滑地控制晶格的目的，应该将晶格分段数（T Divisions）设为一个较大的数值。利用晶格来控制粒子会比使用动力学手段，比如力场控制要方便得多。调整晶格的形状，形成一个漏斗状的龙卷风顶部。（3）为了更好地控制晶格，执行Skeleton下的Joint Tool命令为晶格创建骨骼，并将骨骼的Orientation属性改为None。创建完骨骼后，要达到通过骨骼来控制晶格，再进一步利用晶格来控制粒子的目的，必须将其与晶格执行Skin下的Bind Skin中的Smooth Bind命令进行蒙皮绑定。但此时骨骼的形变还是不方便操作，于是利用Skeleton下的IK Spline Handle Tool来灵活的控制骨骼。先选中骨骼根部，然后再选中骨骼顶端，就得到了一条IK曲线。通过调整IK曲线的Twist属性让晶格产生旋转，不需要任何表达式，也不需要任何的力场，粒子就会沿着晶格旋转向上运动。（4）此时还无法精确地控制IK曲线，因此选中曲线之后执行Surfaces模块中Edit Curves下的Selection中的Cluster Curve命令，曲线会被分成几个簇。选中曲线上的簇，执行Display下的Transform Display中的Selection Handles命令，这样只要操作手柄就能对相应的簇进行方便的控制。如图3-4所示：图3-4：龙卷风效果 最后，制作一个地面的房子和树木被龙卷风破坏的效果。先设置好龙卷风的形变和行进路线，然后移动房子的子部件和树木，配合龙卷风调整到合适的位置，再设置好关键帧。这样，在视觉上就能给人以房子和树木被龙卷风破坏的感觉。 通过簇控制IK曲线，IK曲线控制骨骼，骨骼控制晶格，最后利用晶格来控制粒子的运动。环环相扣，没有使用力场和表达式，却达到了灵活方便控制粒子的目的。较好地模拟了龙卷风云柱的形变和运动，并且通过地面房子和树木被破坏的小动画，增强了真实感。3.4 火山喷发模拟3.4.1 火山喷发分析 火山喷发是岩浆等喷出物在短时间内从火山口向地表释放的一种奇特的自然现象，它是地壳运动的一种表现形式，也是地球内部热能在地表的一种最强烈的显示。模拟火山喷发的关键点在于：一是喷出的火山灰；二是喷发时的爆炸；三是流动的熔岩。经过分析，决定采用粒子系统实现火山灰，采用流体特效实现爆炸和熔岩。3.4.2 火山喷发实现 首先，运用Maya2009新动力学模块的nParticles制作火山灰效果。要达到使创建的粒子比较接近火山灰的效果，以便少调节一些属性的目的，勾选nParticles下的Create nParticles中的Cloud。然后创建粒子发射器（Create Emitter），将发射器类型改为体积型（Volume），并把Volume Shape改为Sphere，调整大小以匹配火山口。其次，调节以下重要属性：（1）要使粒子主要向上运动并稍微向外扩散形成一个烟柱效果，必须降低粒子从发射器向周围扩散的速度（Away From Center）并调高沿轴向速度（Along Axis）。粒子的生命周期需要随机变化，所以调整Speed Random使粒子初始速度随机，再将粒子的Lifespan Mode改为Random range。根据需要调节粒子生命周期长短和随机程度，使烟柱更符合火山灰的形状。为了让粒子形成团状效果，将粒子半径（Radius）设为较大的数值，然后将Radius Scale Input设为Normalized Age使粒子随生命周期进行缩放。（2）此时粒子的材质还未达到火山灰的效果，因此调节粒子Shading卷展栏下的属性，先将Color Input设为Normalized Age，然后调节颜色渐变曲线的灰度值，再调节粒子的不透明度，将Opacity Scale Input同样设为Normalized Age。可是粒子在上升到一定高度后速度会明显减慢，所以要将粒子的Dynamic Properties下的Drag改为很小的数值，让粒子互相拖拽的作用力减弱。最后，添加风吹动的效果，选中粒子后在nucleus下的Gravity and Wind中修改Wind Speed为所需数值，调整好风的方向（Wind Direction），修改下风的噪声值（Wind Noise）以形成扰动就完成了。如图3-5所示：图3-5：火山灰效果 然后，进行火山喷发的爆炸制作。首先，执行Fluid Effects下的Create 2D Container with Emitter命令创建流体容器，修改分辨率（Resolution），将Temperature设为Dynamic Grid。其次，调节以下关键属性：（1）为了加快流体的运动，将Dynamic Simulation下的阻力（Damp）设置一个较小的值，根据需要调节Simulation Rate Scale的值，再将Bouyancy置0。因为流体需要产生爆炸的扰动翻滚效果，所以调节Velocity下的Swirl，赋予一个较大的值，该值越大，流体扰动越明显。然后修改发射器的属性，将类型改为Volume型，形状改为球形（Sphere）。下一步修改Fluid Attributes中的Density/Voxel/Sec为较大数值，比如15。（2）要产生爆炸的冲击效果，必须在Density/Voxel/Sec上设置关键帧（Set Key），然后在热量（Heat/Voxel/Sec）上也设置关键帧。由于不需要燃料和流体衰减，把Fuel/Voxel/Sec和Fluid Dropoff都置0。接下来给Fluid Emission Turbulence下的Turbulence赋一个值，比如0.5，然后根据观察效果调节扰乱速度（Turbulence Speed）。再对流体自身的属性进行修改，调节流体的Turbulence下的Strength、Frequency和Speed。（3）为了模拟爆炸的颜色和发光效果，首先调节流体的温度（Temperature）属性，对温度下的Turbulence赋一个较大的值，比如20。接下来设置流体的材质，将Shading下的Transparency调小，使流体透明度降低。柔化爆炸烟团的边缘需要将Edge Dropoff调到一个较大的数值。然后调节颜色渐变，从左到右对应烟团从外到内，左边设置为黑色，右边设置为亮黄色，中间设置为红色。颜色还应该随密度变化而变化，因此将Color Input设置为Density，再调节一下Input Bias以达到所需效果。接着仔细调节自发光（Incandescence）的颜色渐变，多设置一些过渡值并调节Input Bias，以模拟爆炸烟团不同的炽热程度，再对Opacity渐变曲线和Input Bias属性进行微调。（4）要让相应属性起作用，必须勾选Texture Color、Texture Incandescence和Texture Opacity，再根据效果调节相应的颜色、自发光和不透明度属性。然后继续修改纹理的参数，调节Color Tex Gain、Incand Tex Gain、Opacity Tex Gain、Amplitude、Ratio、Frequency Ratio和Depth Max。为了使爆炸的纹理效果更好，勾选Inflection，再调节Frequency，参数Implode正值是向内收缩，负值是向外扩展，爆炸是向外扩展的，所以设置为负值。（5）取消勾选不需要的Real Lights属性，然后对一些参数进行更深入的调节。爆炸在结束时亮度应该逐渐减小，所以给Glow Intensity设置关键帧，再对Color Tex Gain等参数根据观察效果也设置关键帧。为了让纹理随时间变化，给Texture Time赋予一个表达式“=time*0.5”，时间乘上的值越大，纹理就变化得越快。爆炸烟团要产生向外翻腾效果，应该在Implode上设置关键帧，给Implode Center也设置关键帧。根据实际情况再细化的调节一下各个参数就完成了。如图3-6所示：图3-6：爆炸效果 最后，制作流动的熔岩。执行Fluid Effects下的Get Fluid Example命令，打开Miscellaneous中的RedGooCollision文件，选中流体，调节以下重要属性：（1）为了达到模拟熔岩材质的目标，首先将Surface下的Specular Color和Environment的Color设为黑色，然后调节Shading下的Color为浅灰色，接着把Incandescence Input设为Constant，调节Incandescence的颜色渐变，左边为黑色，最右边为亮黄色，中间用红色和橙色过渡。赋予Input Bias一个较大的值，使自发光的变化更丰富。（2）调节Textures下的参数，要让属性起作用必须勾选Texture Incandescence和Texture Opacity。熔岩的纹理细节变化应该更丰富，所以勾选Inflection，然后将Depth Max设置为较大的数值，比如6。如图3-7所示：图3-7：熔岩效果 使用粒子系统较好地实现了火山灰，运用流体特效较好地实现了火山的爆炸和流动的熔岩，对模拟火山的三个关键点都有比较真实的表现。3.5 本章小结 本章详细阐述了综合运用Maya粒子系统和流体特效模拟云层、下雪、龙卷风和火山喷发这四种自然现象的过程，介绍了关键属性和参数的调节方法。选择流体实现云层的原因是虽然粒子也能模拟云团，但粒子系统对于每一片云都要单独地创建一个发射器来实现，对大面积云层进行模拟时各个发射器产生的云团很难协调一致。另外，使用粒子模拟的云团边缘过渡效果不够理想，云的体积感也较差，因此本文采用流体来高效地实现大面积云层。 雪花的自然属性决定了采用粒子系统模拟下雪是最合适的，而火山灰自身的物理性质也使粒子成为最佳选择。爆炸产生的烟团与云层类似，使用流体更能体现烟团的密度和质感。熔岩本身就是流体，不适合采用其他技术来实现。对于龙卷风，如果使用多个动力学力场来控制粒子，力场的叠加效果会使粒子变得难以控制，而使用表达式则需要复杂地去计算粒子的运动轨迹等参数。本文使用通过IK曲线控制骨骼，再通过骨骼控制晶格的环环相扣的方法来控制粒子，克服了力场和表达式的不足。总的来说，本章对云层、下雪、龙卷风和火山喷发的模拟技术进行了细致的介绍，达到了简单高效地实现较好效果的研究目的。第四章 自然现象模拟的后期处理第四章 自然现象模拟的后期处理 上一章介绍了在Maya中模拟实现自然现象的过程，本章将介绍对制作完成的特效场景进行后期处理形成最终作品的方法。4.1 Maya渲染 在Maya中完成特效的调整后，还需要渲染成序列帧输出，再经过后期处理才能制作成最终的动画。首先，执行Create下的Cameras中的Camera命令创建一个新的摄影机。切换到所创建的摄影机视图，根据需要调整摄影机视角，然后设置关键帧就完成了摄影机的设置。然后，就可以设置渲染参数进行渲染输出了，在Render Settings中填上所需的序列帧名称，图片格式选择Targa（tga），因为Tga格式带有透明通道。然后选择Frame/Animation ext参数为name_#.ext，等于输出的文件命名是文件名_序号.tga。可以在Frame padding中设置序号的位数，然后设置Start frame和End frame，再选择可渲染摄影机（Renderable Camera）。在预置（Presets）中选择CCIR PAL/Quantel PAL，渲染出的图像为720*576。最后，在Maya Software选项卡下选择Production quality和Highest quality高质量输出。设置完成后点击批量渲染（Batch Render）按钮，Maya就会开始渲染。Maya渲染出的云层效果如图4-1所示：图4-1：Maya渲染的云层效果 在Maya中可以使用层把几个对象组合在一起，然后通过使某个层可见来渲染单独的层，这就是分层渲染。Maya粒子要用硬件渲染，而场景要用软件渲染，因此需要分层渲染。渲染粒子的时候重新赋予场景一个材质，将材质的Matte Opacity Mode设为黑洞（Black Hole）就能屏蔽场景，然后用硬件渲染方式将粒子渲染出来。分别将粒子和场景渲染成序列帧，最后在After Effects中进行合成。4.2 After Effects后期合成 在Maya中渲染出序列帧后，并没有生成可播放的动画，需要使用After Effects将序列帧合成后渲染成视频文件输出。首先在After Effects中导入需要合成的序列帧，然后新建合成，设置分辨率为720*576，制式为PAL D1/DV，帧速率为25帧/秒。对于分层渲染出的序列帧的合成，只要分别导入粒子序列和场景序列到同一个合成项目中就可以了。然后执行合成菜单下的制作影片命令，选择好输出视频的格式，最后点渲染开始合成。合成操作如图4-2所示：图4-2：After Effects合成4.3 Premiere后期剪辑与处理 After Effects渲染出的视频经过Premiere剪辑和处理后才能成为最终的成品，需要在Premiere中为视频添加字幕、转场、音乐、音效。新建一个项目，选择DV-PAL下的Standard 32kHz制式，导入AE渲染出的视频。在Premiere中，视频和音频都有很多不同的轨道，通过这些轨道可以对视频与音频进行剪辑合成等一系列处理。首先，通过对不同轨道的视频片段进行关键帧设置和透明度调节，实现镜头重叠的效果，并完成字幕和转场的添加。其次，对不同轨道的