国内外电影特效之一种——烟雾粒子在视觉特效中的应用

1983年，Reeves提出了一种典型的物理建模系统——粒子系统，它解决了大量微小粒子在一定条件下运动变化组成的庞大集群在计算机上的生成以及显示的问题。粒子系统能够较为真实地模拟一些特殊的场景，比如火、烟、水流、落叶或者像发光轨迹这样的抽象视觉效果等等，然而传统的技术很难渲染出这些效果的真实感。

粒子系统的基本思路就是将一个个十分微小的粒子作为一个基本的元素，然后将成千上万的粒子聚到一起，形成一个规则或者不规则的模糊物体，并构成一个封闭的粒子系统。正是因为这样，粒子系统具有别的渲染手段不具备的优点——利用简单的元素（粒子）来构造复杂的物体。当然，粒子系统模拟的大多都是动态的场景，那粒子系统就绝不可能是一个单纯的静态系统。如图1所示，粒子在一开始被赋予了一定的初始值（初始的位置、速度，方向以及材质颜色等），随着系统中时间不断推移，原有的粒子不断运动变化，并在一定时间后部分粒子消失（粒子消亡），新的粒子不断生成（粒子生成）并被赋予初始属性。就好比是一个粒子的出生-成长-死亡的过程模拟，每一个粒子都有并且都要经历出生-成长-衰老-消亡的生命历程，也就是说每个粒子除了具备初始位置、初速度，运动轨迹、材质颜色等物理属性之外，还具有生命周期，即每一个粒子都有自己的生命周期，粒子总会在某一时间点生命周期结束，粒子消亡。与此同时，粒子的属性值都会受到在一定范围内的随机控制除此之外最为重要的一点是，为了增加所模拟的物理和自然现象的真实感真实性，粒子系统通过空间扭曲操控粒子的运动变化，对粒子流造成类似自然界中存在的各种力的影响。粒子系统的这些特点，使得它与传统图形学方法区分开来，其近乎完美的表现了烟、云、火等不规则模糊物体的动态性与随机性。

图1 粒子系统的生成步骤图

一、 烟雾粒子在影视特效中的应用

（一） 简介

烟雾粒子特效一般情况下被用于模拟火焰、爆炸产生的烟雾以及自然存在的云雾。烟是漂浮在空中的粉尘颗粒物，雾则是空气中的小水滴或者冰晶凝结而成，二者皆是有微小颗粒构成的集群，。这些微粒都是运动的，且这种运动具有随机不规则和无定型等特点，具有这一类特征的现象很适合用粒子系统进行建模模拟。

粒子特效可以模拟大量现实里十分危险的事物，甚至说创造现实里并不存在的物体，由此，影视动画中的场景造型得益于粒子特效技术的发展变得丰富且精彩。以近几年火爆全球的电影——漫威的《复仇者联盟》为例，在其电影场景中出现烟雾、爆炸特效，使得整个场景的空间布局更加有条理且更加丰富，从而增加了电影的趣味性、真实性。另一方面，粒子特效技术与场间灯光、电影整个的节奏的配合，给观众营造了身临其境的危机感，使得整部电影更具艺术气息，同时也增加了生动性，突出了爆炸般的视觉冲击力。在影视及动漫产业中，这类复杂的场景结构和特殊的感受表现效果，一般也都由粒子特效来制作，以达到更加合理，更具层次感。

（二）烟雾粒子在云雾，龙卷风，沙尘暴等场景中的应用

国内——以MORE VFX为例

图2 《流浪地球》特效效果图

科幻电影的制作，对影视工业化的要求程度最高，它可以检验一个国家电影工业化的程度。而《流浪地球》的出现，打破了这一片空白，也让国内的制作公司再次捅破了天花板。

MORE VFX是一家国内的特效公司，因创新和技术在中国乃至世界都享有盛名，公司的主要业务是为客户进行特效设计和代表制作，业务范围囊括电影、动漫和广告等方面。MORE VFX最令人向往的是：以”制作世界级的视觉特效” 为使命，一直在探索特效新大陆的征程中迎难而上，勇于突破革新。正因如此，2016年《西游记之孙悟空三打白骨精》让人不寒而栗的”地狱风”;2017年《悟空传》烈焰金箍棒似乎贯穿全剧、2018年《西游记之女儿国》让人过目不忘的玄幻奇景；2019年脑洞科幻代表作《流浪地球》等特效口碑佳作才与影迷不期而遇，震撼又惊艳。当然，MORE VFX不止是特效主宰者，它还是动画、影视视效全流程服务的领导者，在特效和视效领域MORE VFX创造的价值不可估量，而特效的发展也一直是青出于蓝而胜于蓝。

以电影《流浪地球》 为例，绝大多数场景都需要后期创造制作一些现实中难以实现甚至并不存在的物体，并进行深入的微调，从而达到导演所需要的表现效果，以及使整个拍摄变得连通且具有可执行性。因此，主体就需要不断的微调以至于撑起一整个符合逻辑的物理机械构架，其中任何一个部件都要经过设计师的反复推敲琢磨，从而让整个系统中达到个体联动，整体真实接具有视觉冲击力。设计和技术的结合，让设计师的每一分灵感都在空间中得到淋漓尽致的呈现。

MORE VFX的概念团队在获得最初的拍摄资料以后，就在渲染引擎中对灯光等进行调整，用来调节气氛，控制节奏，并对大量的高分辨率图片多通道输出。如图3所示，MORE VFX以真实交通路线为蓝本，绘制了三维的道路分布交通规划图，同时还设计分配了三种用于不同场景的材质，二者的结合，配合上灯光对节奏气氛的调整，用来制作后期废旧破损的特效。在这其中，虽然基础的引擎底部模型由Layout提供，但是影片所想表达的氛围效果需要大量气体烘托，所以我们需要在底部模型的基础上用软件按照拍摄灯光进行环境光效调整，不断调整改善气氛渲染图。为了突出表现地球即将解体的紧迫，镜头中颗粒的移动速度进行了刻意的加快，同时增加了volume的密度从而增强了环境受到的空气透视的影响。

同样，在电影中，爆炸、尘埃、云雾效果无处不在，然而这些特效想要达到理想的效果，关键在于在高速慢镜头下，大量的烟火如何才能制作出理想数量的冲击波。在经过无数次的调试渲染之后，MORE VFX的团队采用了模拟动力学外加手动作假的方法。首先应用多边形的材质叠置构成冲击波的主体，大量的细节以及纹理则采用多层噪声叠加，然后将之构成粒子系统带入动力学公式进行烟火模拟，制作出外侧的火焰形态，最后再进行渲染。这样的方法既呈现了完美的细节，又不会让冲击波显得过于僵硬。

除此之外，《流浪地球》中有一个场景，地球想借助木星的重力场加速（引力弹弓效应），但是却陷入木星引力产生空前绝后的大危机。由于地球接近木星后引力剧增，潮汐力作用就会使地球本身解体分散（洛希极限），所有地球上的物质被木星吸引，经过加速增重就会产生一种物质流——脐带气流。脐带气流的主要构成成分为地球上的冰块以及建筑物残渣和空气的混合物，是木星无法脱离的引力和急速自转将地球上的物质吸引并撕扯形成期待形状的。脐带气流特效本身就需要无数的粒子集群组合而成，粒子系统成为了该特效制作的不二选择。据传，为了表现复杂多样，具有层次化的场景，MORE VFX制作了20多层形态速度不尽相同的粒子层。

往常我们说到国内的影视特效经常会觉得不如欧美的特效公司，甚至比之日韩公司都不如。这个结果我们是从产品的特效表现来看的，而这种特效表现又常常归结到技术层面，认为国内特效技术不成熟。其实很久之前国内已经开始承接国外大片的特效制作，而《悟空传》则是一部基本上由国内团队制作特效的电影。MORE VFX七百余位特效设计师用一年多的时间完成了《悟空传》一千七百多个镜头，全篇特效将近80%。

《悟空传》 特效

《悟空传》 特效

国外——以工业光魔（Industrial Light & Magic）为例

早些年间，电影行业制作特效的一般手段为玻璃绘景叠加拍摄和定格动画，其代表作就是《金刚》。直到二十世纪七八十年代，著名美国导演乔治·卢卡斯为了拍摄制作《星球大战》系列电影，提出了《星战》里面的东西可以由计算机创造，电影特效的未来应该是计算机与摄影技术的结合，并为此成立了计算机特效鼻祖——Industrial Light & Magic（工业魔光）。卢卡斯觉得工业魔光必需要研究计算机特效技术，甚至于若干年后他都公开表示由于技术原因，《星战》给观众呈现的仅仅只是他所想要表达的百分之三四十。

2020年2月9日，第92届奥斯卡颁奖典礼在好莱坞杜比剧院举行，而其中奥斯卡最佳视觉效果奖的提名就有工业魔光制作的《惊奇队长》和《复仇者联盟4》。其中，《惊奇队长》是由工业魔光、特里克斯特、数字领域、动物逻辑等十余家全球著名的影视公司参与共同制作的。在电影剧情中，惊奇队长破坏测试引擎之后得到了人人梦寐以求的能量操控能力。工业魔光所参与的就是这部分的特效制作，除此之外工业魔光还参与设计了飞船的建模以及飞船内外的各种打斗场景。工业魔光对于引力场及磁场的模拟采用了huodini演算，用力场改变影响粒子，用以实现复杂粒子模拟计算，从而形成惊奇队长周身的光效。

惊奇队长特效对比

2、 常见渲染软件下烟雾粒子特效开发

基于Unity3D的烟雾粒子特效

烟雾特效截图

考虑到烟雾运动的复杂性与随机性，以及建模时粒子系统的运算性能和最后渲染得到的结果，建模时需要对自然界中存在的云及烟雾现象进行物理力学分析，寻找能够影响烟雾运动的因素，从而将烟雾的复杂运动简化。因为烟雾的受力情况可以明确且清晰的说明烟雾微粒的运动情况，使其建模模型的运动更加接近现实且符合逻辑，使得最后的模型更加逼真。如果只考虑视觉效果，在人眼所不能发现的范围内，可以将粒子系统中复杂且难以计算的运动公式取缔为简单的物理运动模型。进行烟雾建模，除了要考虑力对烟雾的影响，还需要考虑烟雾自身的性质，包括烟雾的速度、温度浓度等等，以及这些性质改变所伴随的其他性质改变，如烟雾系统中的粒子由于速度不统一造成的整个系统形状大小和颜色浓度的改变。

小结

视听语言作为一种思维方式，以电影来反映生活的艺术。计算机特效技术是计算机技术与绘画艺术完美融合的产物。每部好评如潮的电影，每一个分镜之间都充满了丰富的艺术表现手段。粒子系统的出现以及其在影视行业的发展运用，对视听语言的发展起着相辅相成的作用，对于影视行业的发展也起着无与伦比的作用。在绝大多数科幻、战争电影中，镜头衔接和特效处理往往要借助粒子系统，通过对粒子特效的处理以及对声光色的调整，让整个电影更加和谐、真实。同时，特效技术能够实现现实生活中难以制作甚至于不存在的场景，不仅节约制作成本，也保证了演员的生命安全。随着观众艺术追求的不断提高，三维特效技术也必将伴随影视行业不断改善发展，并终将把观众带入浸入式的多彩的电影世界。