粒子系统在动画特效制作中的应用.pdf

随着计算机技术的飞速发展，数字动画技术在影视动画制作中扮演着越来越重要的角色，其中，粒子系统特效逐渐成为环境场景制作不可或缺的一部分，这种通过大量颗粒的运动构建环境效果的技术被运用于烟雾、火焰、雨水、海浪等自然现象的模拟制作中，是影视动画制作过程中的重要构成元素。生动的环境效果在一定程度上能够影响一部影视作品的整体气氛，而优秀的粒子特效系统技术能够制作出与现实相近的自然环境效果，展现出更加真实、生动的环境效果。粒子系统也能与传统艺术形式结合，将数字技术与艺术完美地融合在一起，制作富有想象力的全新画面，从而带给观众更好的视觉体验。在当前技术的发展下，粒子系统在越来越多的专业影视制作软件与粒子插件的开发与改进中不断发展壮大，能够在更多的影视场景中模拟出制作者所需要的运动效果，对影视行业制作出色的环境视觉效果起到了重要作用。该文以粒子特效技术为基本理论基础，通过分析数字动画与粒子系统的发展，深入了解粒子特效技术在数字动画制作中的应用，了解影视制作行业中常见的粒子特效技术形式与专业制作软件种类，分析粒子特效技术所构建的环境效果对动画作品中场景气氛的渲染与塑造形式，阐述粒子系统技术构建的影视场景在影视制作中的作用与价值。关键词：粒子特效；数字动画；场景一、数字动画与粒子特效基本概述（一）数字动画数字动画的发展与变革，与计算机图形的发展密不可分。具体来说，计算机图形就是把描述图形所必需的信息数据，通过计算机处理后呈现在显示设备上，从而实现数据的可视化，也就是现在的“CG”，是计算机科学中最为活跃、应用最为广泛的分支之一1。动画创作风格多种多样，与传统影视制作手段相比，动画能够塑造丰富的艺术形象，也可通过多样的表达题材体现出风格各异的艺术特点。优秀的动画作品能够更好地展示出观众的审美取向，实现具有综合性、直观性、全面性的精神文化展示，进而更好地体现动画作品的精神文化意义与艺术价值2。在新媒体时代下，人民群众的审美水平有了更进一步的提高，将新兴的数字化技术延伸到动画领域并应用于动画制作逐渐成为当代动画技术发展最重要的趋势之一。与传统的动画制作手段相比，数字动画制作具有降低制作成本、提高工作效率，以及呈现多种多样的画面特色等众多优点，随着科学技术的飞速发展，数字动画的制作手段也在不断地更新，在影视、游戏以及专业场景模拟领域发挥着越来越重要的作用。（二）粒子系统粒子系统是一种新型的数字动画制作模拟方法。1983 年由卢卡斯影业的威廉特雷弗（WilliamT.Reeves）首次在电视剧的特效制作中引入粒子系统，他认为如果赋予每个粒子一组属性，如生命期、大小、位置、形状等，粒子就会不断地运动，从而改变外部形状，以此表现出景物的形状特征及其动态变化，这被看作粒子系统的起源。与传统的三维建模方法不同，粒子系统中组成物体的元素不再是传统的多边形或曲面元素，而是大量微小的粒子。粒子系统中的每个粒子都是能够自主行动，并被赋予颜色、大小、透明度和速度等物理属性的独立自由个体。粒子运动随着时间而改变，且粒子系统的运动不与场景中的其他物体相交，粒子之间也是不可相交、不可穿透、在空间内按照一定运动规律进行分布的。近年来，诸如雨雪、烟雾、火焰等随机性强的自然景物模拟是动画制作领域的难题之一。粒子系统的优点就在于可以用简单的形态构建复杂的物体，从而为自然景物的造型提供强有力的技术支持。它们通过不同的运动方式组合在一起，表现所要模拟的物体形状，能充分表现出不规则运动物体的随机性和不确定性，能很容易地模拟出雨雪、烟雾等具有不规则形状的物体。因此，粒子系统被认为是迄今为止模拟形状不规则的模糊物体最成功的建模方法之一。粒子系统技术在动画制作中充分发挥作用，让源于生活的场景得到了极致的体现，让现实中的自然场景能够与软件中的环境相融合，构建成和谐、统一的整体，从而为观众呈现出美轮美奂的作品。二、粒子系统在动画制作中的设计优势（一）改善动画效果在 2023 年 1 月上映的国产动画电影深海中，电影创作团队别出心裁地将粒子系统与中国传统水墨相结合，制作出了图 1 所示的“粒子水墨”动画风格。深海主创团队人员的设计初衷是将传统的中国水墨与现代数字动画的三维建模相结合以制作出所需要的影视效果。主创团队一开始的想法是把拍摄的素材作为贴图贴在规定形态的模型表面，但三维模型明确的边缘和传统水墨的模糊边界形成了强烈的对立，使制作出来的画面效果显得过于僵硬、死板，37总第239期/2023/6/工美艺术没有活力，和主创团队的设计初衷相去甚远。图 1 添加水墨贴图后的三维模型效果在尝试了多种途径的渲染后，主创团队选择了使用粒子系统进行渲染，最终造就了深海电影中富有细节且极具梦幻感的深海世界。在动画中，通过运用现代化的技术，使粒子水墨所营造的画面呈现既具有介于水墨、油画之间的艺术风格，又具有颗粒感低的效果，而且层次丰富。深海的动画元素本身由大颗粒的粒子形成，且色彩混杂，从图 2 中章鱼实体边缘交错的多种颜色的粒子可以发现，各种颜色在互相干涉边界的同时，也在不断进行着融合，而粒子扰动后也如同流体般影响着整个画面。所有一切完全符合水墨画中笔触的洒脱和互相影响的特征。图 2 使用粒子系统渲染后的画面效果从图 3 中可以看到，粒子系统对前期手绘概念图中试图表现出水彩晕染的效果进行了较强的还原，而且在画面中充分保留了传统水墨的色彩与颜料的颗粒状质感，借助全片中数十亿粒子构成的粒子系统所营造的氛围，完美地诠释了传统中国美术风格，使水墨画既保留了传统文化精髓，又具备鲜明的时代特征，符合时代需求，这是水墨画发展的可行之路。利用数字技术不仅可以提高制作的效率，还能增强水墨动画的表现力，丰富其语言表达，完善其形态格局3。（二）降低制作成本除了用于改善传统动画在三维动画中的表现效果，粒子系统也在影视特效行业中发挥着至关重要的作用。电影和美术行业从业人员在影片制作中为了获得突破性的特效，总会想到使用价格高昂的摄制系统或者购买昂贵的影视特效制作软件，大幅地增加了特效制作的成本。而在 Cebas 公司旗下特效开发团队精心研发的 ThinkingParticles 粒子系统插件的辅助下，影视动画的特效制作效果得到了进一步优化。ThinkingParticles 是一个完全集成的粒子系统，功能强大且不断更新升级，在操作形式上是基于新型的“节点式”操作方法，替代传统的“层”操作。在大多数情况下，3dsMax 软件的材质操作与特效设置都通过传统“层”操作方式实现，但是“层”操作的复杂性使其在团队成员共同进行大型粒子特效制作时难以进行下去，而“节点式”操作能够通过多个节点的互相连接实现制作目标，与“层”操作相比，“节点式”操作更加便捷，也更加直观4。业界通常将 ThinkingParticles 与 3dsMax 建模软件配合使用，处理电影、电视剧和游戏宣传片中的程序化特效等。它能够在影视作品中精确地模拟解算真实世界中的毁灭特效、制作逼真的建筑动画等各种视觉效果，在影视特效行业广为人知，并被广泛应用。在 2009 年上映的灾难电影2012中，观众可以看到高楼大厦如同积木一样破碎坍塌，在视觉效果上感受到了极大的震撼。在计算机模拟环境过程中，如图 4 所示，能看到场景中的高层建筑建模按照预定设计倒塌的情景，而在影片中需要按照真实的情况来安排场景中的每一座建筑、每一块建筑材料，甚至每一片玻璃被破坏的时间顺序。除了地震外，还要加入建筑塌陷时爆裂的碎片受到冲击而被抛出后下落的过程，碎片落地的同时也伴随着烟尘扬起。在整部影片中，特效团队使用了 3dsMax 软件制作动画，同时采用 ThinkingParticles 粒子系统插件模拟数量庞大且充满随机性的建筑等其他碎片与烟尘扬起的效果。多种粒子系统与动画建模所呈现出的视觉效果交织在一起，最终生动、形象地在银幕上制造出了城市面临世界末日时的破碎感5。除了2012，ThinkingParticles 插件在钢铁侠 超级战舰等多部知名电影中也参与了特效制作，其极强的可控粒子群系统所生成的画面在降低影片特效制作成本的同时，还保持着高水平的画面渲染效果。该插件在近年来更新了子弹物理学和驾驶模拟器后，它的功能将不再局限于粒子模拟，而是能够图 3 手绘概念图与动画最终画面对比38/总第239期/2023/6工美艺术创建出更加出色的影视级别场景，给观众留下深刻的观影印象。三、粒子系统制作的相关软件制作影视级别系统的粒子系统在业界常用的多种三维建模及渲染插件内部就可以进行创建与修改。这些制作方法能够使创作团队迅速且高效地看到粒子系统在他们提前设定的运动特性或者规则下进行可控运动时的表现。目前，业界有多种粒子系统制作软件，不同的粒子系统制作软件有其各自的优缺点，即使是制作一部电影也需要多种软件参与制作，在使用的过程中根据影片不同场景的需要合理选择。下面对业界常用的几款粒子特效相关软件进行分析。（一）3ds Max 粒子系统在影视特效制作行业，3dsMax 是起步较早、较常见的一种三维动画制作软件。作为一款插件型软件，3dsMax 支持多种粒子流插件的运行，如 ThinkingParticles 粒子、PF 粒子流、TyFlow粒子等。3dsMax 的实用性强，但灵活性稍差，且在运行粒子系统时对硬件压力需求较高，虽然能通过编写脚本解决部分问题，但无疑加大了渲染难度。在计算机水平不断发展的今天，3dsMax 虽已稍显落伍，但在影视特效行业内依然有着重要的地位，用于制作符合片方需求的影视动画特效。（二）Houdini 粒子系统Houdini 软件有着非常强大的粒子特效技术，多用于电影工业的特效制作与合成。通过多个节点将命令与对象组合在特效场景中，具有非常强的逻辑性，在应对视觉元素众多的大型场景时，通过节点管理模式可对视觉元素进行有效的调度。Houdini 软件参与完成了多部电影的特效制作部分，如后天中席卷洛杉矶的龙卷风群，以及冲击国家图书馆的巨型海啸等。Houdini 是一个底层软件，使用者可通过调整节点对视觉元素进行调整，但是 Houdini 软件的专业性较强，上手难度较大，如果软件的使用者对编程、高等函数等学科知识掌握不高，在实际操作上会有一定的难度6。（三）Unreal Engine 粒子系统作为当代游戏行业的主流开发引擎之一，UnrealEngine（虚幻引擎，简称 UE）也成了影视特效制作行业新入场的一份子。虚幻引擎的最新产品 UE5 具有成熟的材质与工具系统，同时能够解决动画制作中的诸多困难，从而达到更出色的光影效果、更快的速度，而在 Cascade 与 Niagara 等多种实时粒子特效系统的支持下，制作者可以实现更多、更复杂的物理模拟效果。Niagara 系统具有完全的可编程性，可由用户控制粒子发射器与自定义粒子系统，同时，在性能控制上也更实用和接地气，能够制作出更复杂的粒子特效。面对当前制作软件和制作方式种类繁多的局面，国内的影视动画行业一直在摸索前进，既有对国外先进技术的借鉴，也有对传统动画制作方式的反思。在动画制作中，使用哪种软件与如何使用该软件成了动画制作的关键。四、结语粒子系统从理论诞生到如今的发展已有几十年的历史，现如今，针对火焰、雨雪以及碰撞、烟雾、爆炸等的系统模拟都已经达到了近乎完善的程度。世界各大影视特效团队都已经开始开发各自的粒子渲染程序，具体的软件与算法也因所属开发团队不同存在各种差异。新技术的应用不见得一定会成就一部优秀的影片，但新技术的发展又确实为未来的电影创作不断提供着新的可能。业内制作者需要继续加深对动画技术和技巧的了解，更要熟练掌握动画艺术创作的基本规律，利用好粒子系统技术，为未来影视作品的制作水平提升添砖加瓦。参考文献：1 程雅倩.当代数字动画前沿技术解析 D.济南：山东师范大学，2010.2 张勃汉，赵文婷.数字动画创作中虚拟图像技术的实现与应用 J.吉林艺术学院学报，2022（5）：55-57.3 谢晓昱.科学与艺术的联姻：水墨动画研究 D.上海：上海大学，2011.4 魏玲.浅谈 3ds Max 中 Thinking Particles 和 Particle Flow 的区别 J.数字技术与应用，2014（11）：215-216.5 赵琳，徐熳.2012 特效制作解析 J.电影文学，2010，506（5）：64-65.6 王少伟，陈晓青，李颂，等.影视特效粒子系统研究 J.软件导刊，2012，11（4）：168-170.作者简介：1.蔡琦，女，吉林长春人，硕士研究生，副教授，研究方向：视觉元素艺术设计；2.王竞轩，男，吉林白城人，本科，研究方向：设计学。图 4 建筑倒塌的建模场面39总第239期/2023/6/工美艺术