三维动画特效讲义-孟鹍

三维动画特效讲义

三维动画特效在电影和电视用所广泛应用的。它用来完成我们实际拍所不能完成的镜头，其中能够涉及的影片的所有方面。比如：在大空中飞行的超人、航天器、战争场景中鲜血肢体不全的伤员、不明病菌感染过的人体、恶心恐怖的异形、基因怪物、爆炸中的各种建筑。

粒子的属性

Maya中粒子的属性非常多，大约有上百个，其中有一部分直接显示在面板上，还有一部分虽然没有在操作面板上显示，但用户随时可以把它们提取出来放在面板上。这些属性都是系统内部建立好的，属于内建属性。除此之外，像儿何物体一样，用户还可以根据自己的需要给粒子物体添加用户属性，当然这些属性并不直接控制粒子的行为，用户必须通过其它手段来控制粒子行为，控制手段包括：属性关联(Comlection Attrihute)、关联动画(Set D riven Key)、表达式(Expressi()n)以及脚本(Script)等。

粒子的属性大多数属于整体属性。它对该粒子物体中所有粒子统一起作用，这种属性被称为单物体(per object)属性。还有一部分属性控制单个粒子的行为，这种属性被称为单粒子(per particle)属性。单粒子属性大都有明显的特征：属性名以pp结尾，当然也有几个例外。这儿个例外我们会在下面提到。需要注意的是，所有的单粒子属性都是一个参数阵列，“一个”参数实际卜独立保存每个独立粒子的相应数据，它是由一个数据序列构成的。

大多数粒子属性与粒予渲染类型无关，对所有类型的粒子都一样。除了这些属性外，每种不同渲染类型的粒子都有一些特有的属性，这些属性具有很强的针对性，虽然这类属性不很多，每种粒子只有几个，但恰恰是这几个属性表现出不同类型粒子的特质。粒子的属性按所起的作用分为几组，分对应属性编辑窗(Attriute Editor)。

ParticleShapel表中几个下拉式属性栏。

属性组名属性名(AttrmuLe editor)内容

一股控制属性GeneralConLrol Attrbutes 单个粒子物体的控制、操作属性

发射属性EInission attributes 被发射粒子物体的发射属性

生命属性Lifespan attributes 决定粒子寿命的属性

时间属性Time AttrmuLes 粒子受动力学影响的时间起点及随

时间的变化

碰撞属性c011ision attributes 粒子碰撞计算的精确程度

柔体属性soft Body AttrmuLes 调整柔体效果的高级用户特性

目标权重及物体Goal Weights and Objects 给粒子物体或柔体增加目标物体后有关注目标对物体或柔体影响的属性

粒子替代属性Tnstancer(Geomery replaccment) 动画粒子被几何体替代时，影响替代过程的特性

随机属性Emissk)n Rand()m Part训e See(js }H随机的数据流控制发射粒子随机位置

渲染属性Rernder attributes 影响粒子在场景中显示及渲染的属性，

此处的属性随粒子渲染类型不同而不同

渲染状态Rernder stats 控制软件渲染粒子的渲染特性

单粒字属性Per Particle(Array) 单粒子的一般运动和显示属性

增补属性Add Dynamic attributes 通过Add Attrmutcs editor增加的粒子

属性。这里的属性是粒子的内建属性，

不是用户自定义属性

额外属性Extra attributes 用户自定义的单物体(per object)属性

粒子的生命属性

生命”是粒子最重要的属性之一。它规定了粒子出现任场景中的时间。用该属性可以定义粒子从生到死其它属性如材质属性的变化。粒子的生命属性在attributes Editor中lifespan Attributes栏中定义和修改。粒子生命值的定义有四种：不死liveforever)、生命值为定值(contant)、生命值在一个随机范围内(random range)和单粒子生命(1ifespanPP) 粒子的颜色和透明属性

粒子按渲染类型分成10钟，，其中大多数硬件粒子的颜色由粒子的颜色属性决定，透明特性由透明属性决定。比较特殊的是sprites粒子，因该粒子可以赋材质并贴图，所以其最终结果的颜色由贴图的颜色和粒子的颜色共同决定。软件粒子的颜色、透明特性则完全由材质的相关属性决定。在粒子的使用中，我们更多地是把颜色和透明属性与粒子的生命关联起来。

粒子颜色和透明属性是粒子的固有属性，但没有显示在操作面板上。如何加入到操作面板上我们会在以后的例子中说明。

渲染类型是粒子最重要的特性，它直接决定了粒子在场景中以及在最后渲染中的视觉效果。由粒子的渲染类型又向外引申出其它一些重要特性。

指定粒子的渲染类型的步骤如下：打开粒子的属性编辑器(Attributes Editor)，单击ParticleShape标签进入粒子形状编辑表，展开该表中渲染属性(Render Attributes)栏，（从粒子渲染类型(Particle Render Type)下拉式菜单中选择粒子渲染类型。在为粒子指定渲染类型后，不同渲染类型的粒子各自特性不会自动显示，要用粒子渲染类型下的“Addribute For Current Renter Type”显示。当显示了指定粒子的特性后，再改变粒子类型，粒子的这一一部分特性不会自动更新，还要使用该命令按钮来显示新粒子类型的特不同渲染类型的粒子的外形视觉效果及各自的特性如下：

1．Points(点粒子)

在场景中以点的形状显示。这是新建粒子的默认类型。Points粒子为硬件粒子。

(1)Color Accum：当粒子产生重叠时，加重重叠部分的RGB颜色和不透明性。

一般来说，重叠部分变亮且更加不透叫。I

(2)N0rillal Dil7：在场景中加入灯光时调整运动粒子的照明。可取1，2，3三

个值。当全部或大多数粒子向着灯光运动时，此值取1；当粒子不动或从灯前掠过时，取2；当粒子运动方向远离光源时，取3。效果如图7--一5所示。

(3)P0int Size：粒子点的大小。粒子的大小与摄像机远近无关。

(4)Use Lighting：用添加到场景中的灯光来照叫粒子。

2．MultiPoint(多点粒子)

在场景中每个粒子都显示为许多个点，使粒子显得比较密集。MultiPoint粒子为硬件粒子，效果如图7—6所示

(3)Multi R adius：代表一个粒子的多个点随机地分布在一个球形区域中，此参数定义该球形区域的半径。

(4）Normal Di r：在场景中加入灯光时调整运动粒子的照明。可取：l，2，3三个值。当全部或大多数粒子向着灯光运动时，此值取1；当粒子不动或从灯前掠过时取2；当粒子运动方向远离光源时取3。

(5)Point Size：粒子点的大小。粒子的大小与摄像机远近无关。

(6)U se lightina：用添加到场景中的灯光来照明粒子。

3．Streak(条纹粒子)

在场景中显示为带尾巴的运动粒子。尾巴的长度以粒子的运动速度为基础，所以当该粒子的不动或运动速度非常慢时将看不到粒子。Streak粒子为硬件粒子。

(1）C010r Accum：当粒子产生重叠时，加重重叠部分的RGB颜色和不透明性。一般来说，重叠部分变亮且更加不透明。

(2)Iine Width：每个条纹的宽度。

(3)No rlllal Di r：在场景中加入灯光时调整运动粒子的照明。可取：l，2，3三个值。当全部或火多数粒子向着灯光运动时，此值取l；当粒子不动或从灯前掠过时取2；当粒子运动方向远离光源时取3。

(4 ）Tail Fade：粒子轨迹的透明度。0为完全透明，1为完全不透明。

(5 1 Tail Size：粒子轨迹长度的比例值，当此值为l 时，粒子轨迹长度为系统默认值，此值由粒子的运动速度决定。当此值不为1时，对粒子轨迹进行缩放。

(6 ）Use Lighting：用添加到场景中的灯光束照明粒子。

4．MultiStreak(多条纹粒子)

每个运动粒子显示为多个带尾巴的点。粒子运动越快，粒子的尾巴越长。MultiStreak 粒子为硬件粒子，效果如图7—8所示。

(1)Color Accum：当粒子产生重叠时，加重重叠部分的RGB颜色和不透明性。一般来说，重叠部分变亮且更加不透明。

(2)Line Width：每个条纹的宽度。一i个值。当全部或大多数粒子向着灯光运动时，此值取1；当粒子不动或从灯前掠过时取2；当粒子运动方向远离光源时取3。

(6 ）Tail Fado：粒子轨迹的透明度。0为完全透明，1为完全不透明。

(7 ）Tajj Size：粒子轨迹长度的比例值，当此坂为l时，粒子轨迹长度为系统默认值，此值}=f=j粒：『-的运动速度决定。当此值为为1时，时粒子轨迹进行缩放。

(8)U Se ligbting：用添加场景中的灯光来照明粒子。

5．Sprites(画片粒子)

此类型粒子可以在每个粒子上显示一个纹理帖图或图像序列。每个粒子可以显示相同的图像、不同的图像或图像序列。你使使用不同纹理图片，可使sprits粒子刨建烟、云、雾和星空等效果。Sprites为硬件粒子。一个spri tes粒子在赋予纹理图片之前，显示为一个小长方形。无论摄像机的位置和摆放角度，spri tes粒子的矩形总是朝着摄像机。如果纹理图片没有阿尔法通道，则图像不透明，并占据整个sprites矩形。如果纹理图片有阿尔法通道，则sprites使用图像的透明属性。为避免粒子避示为矩形，你必须自已将原纹理图像的外围部分做成透明的．

(I)Sp rite NUITI：当使用图片序列时，本本参数设置序列文件数量。

(2)Sprite Scale X：图像在X方向上的编放比例。

(3)Sprite Scale Y：图像在Y方向上的缩放比例。

(4)sprite Twist：图像绕垂直摄像机平面的轴转动一个角度。逆时针方向为正。

(5)U se Lighting：用添加到场景中的灯光求照明粒子。

6．Spheres(球形粒子)

将粒子渲染成不透明的球。Sph oFes为硬件粒子。Radiu：球形粒子的半径。此属性是单物体属性(Per Object Attribute)。如果要指定每个粒子的半径，需要增加radiusPP属性。

7．Numeric(数字渲染类型)

此类型粒子显示粒子物体某些属性的当前值。当用户想知道粒子的当前位置、速度、粒子lD号等属性时十分有用。Numeric粒子为硬件渲染粒子。

(1)Attribute Name：在此属性输入区中写入希望显示的粒予属性名。系统默认的是粒子的ID 9(particleld)。你可以试着输入position、veclocity、acceleration等参数看看场景中粒子显示的变化。

(2)Point Size

粒子点的大小。对于Numeric粒子，此属性并不控制数字的显示大小，只控制数字前面代表粒子所在位置的点的大小。粒子的大小与摄像机远近无关。

(3)Selected Only：仅显示当前被选择粒子的属性值。使用此选项必须进入次物体选择级选择单个粒了，才能起作用。

8．Blobby surface(s／w)

此粒子类型显示为球融合体。所谓球融合体就是把许多球进行融合形成的表面。Blobbv SUrface为软件粒子，其表面的融合效果只有在软件渲染中才能显现出来。

(1)Radius：设置粒子物体中粒子的半径。此属性是单物体属。l~(Pe r ObjectAttribute)。如果要指定每个粒子的半径，需要增加单粒子属。t~(per Particle Attribute)radiusPP，然后设置半径。

(2)Threshold：表面融合阈值，控制两个粒子之间的表面融合。当此参数为0时，粒子不融合；当参数越接近l，粒子的融合越强。当此值过大时，粒子有可能看不到了。在最后的渲染结果中BIoby surface的外观是由radius和threshold两个参数共同确定的。threshold 越大Bloby surface越小，必要时可以增加radius。

9．Cloud(s／w)(云团粒子)

此类型粒子显示为模糊的、云状的球融合体。球融合体就是把许多球进行融合形成表面。Cloud为软件粒子，共表面融合效果只有在软件渲染中才能显现出来。

（1)Better Illumiaation：提供更加柔和的照明和阴影，这会花费更多的渲染时间。

(2)Radius：设置云团的半径。此属性是单物体属性(Per Object Attribute)。如果要指定每个粒子的半径，需要增加rad／usPP属性。

（3)Surface Shading：设置“云团”的清晰程度。在0和I之问取值。取1时“云团”显示很清晰；取0时，显示更加模糊的效果。

(4)Threshold：表面融合阀值，控制两个粒子之间的表面融合。当此参数为0时，粒子不融合；当参数为1时，获得最大的融合效果。

增大Tt~reshold值会减小“云团”的大小，因此存增大Threshold值时应相应增大Radius 值。

Maya给粒子物体指定默认的粒子云阻影组(particle cloud shader)。建议你另外创建一个粒子云阴影组赋给粒子。使用默认的阴影组在复制物体时可能会出现问题。

10．Tube(s／w)(管状粒子)

粒子显示为管状。Tube粒子为软件粒子。

(1)R adius0：Tube的起点半径。

(2)R a dius l：Tube的终点半径。

(3)Tail Size：Tube的长度比例。将此值与粒子速度相乘得到tube长度。粒子运动速度越快，“管”越长。

粒子发射器

对于喷射粒了而言，影响其运动属性的主要因素来自三方面：发射器决定粒子的初始状态，力场以及与其它物体的碰撞决定了运动的改变。下面我们讨论发射器。

粒子发射器的类型

粒子发射器从发射空间区分可以分为四类：

(1)点发射器

包括方向发射器(directional)(图7 16左)和全向发射器(Omni)(图7—16右)。发射点可以是空间一任意点，也可以是物体上的一个点。物体上的点可以是NURBS曲线的控制点(CVs)或编辑点(EPs)，也可以是NuRBs曲面的CV点(图7—17、图7一18)或POL YGON面的顶点(vertex)、品格点(Lattic point)、粒子点(图7一19)。

（2）．线发射器

用户指定NURBS曲线作为粒子发射器。用户可以指定曲线各部分发射粒子为随机的或均匀的，如图7—20所示。

（3）．面发射器

用户指定NURBS表面或POL YGON外表面作为粒子发射器，如图7—2l所示。

（4）．体积发射器

从一个空间体积内发射粒子。体积发射器共有五种：立方体(Cul3e)、球(sphere)、圆环(Torus)、圆锥(Cone)和圆柱(Cylinder)，如图7—22所示。

粒子发射器的类型的设定

打开粒子发射器的属性编辑器(Attributes Editor)，展开Basic Emitter AttriI]utes栏，在Emitter Type下拉菜单中选择粒子发射器类型。

粒子的喷射属性

前面说过粒子喷射器决定了粒子的初始属性。下面介绍其中最最常用的属性：

1．喷射器类型(Emitter Tyl)e)：该属性决定了粒子的喷射方式。指明发射器为上述类型中的哪一种。

2．粒子喷射率(Rate)：秒喷射粒子数量。

3．喷射方向：不同的粒子喷射器采用不同的方式定义喷射出的粒子的运动方向。DirectIonal直接用X、Y、Z方向(Direction x／Y／Z)和扩张角

曲线发射器的发射方向由六个参数决定：DirectionX／Y／Z以线所在空间座标定义的

喷射方向；spread定义扩散角度；切向速度(Tangent Speed)和法向速度(Normal speed) 以曲线形状为基础规定喷射方向。

曲面发射器的发射方向由切向速度(TaI]gerlt Spee(1)和法向速度(NorⅢal Speed)规定。采用这种方法规定的喷射方向与作为喷射源的曲面的形状有关。

体积喷射器的喷射方向由七个参数共同确定：喷射器所处座标系的方向(Direction X／Y ／Z)、方向速度(directionalSpeed)、沿轴的喷射速度(along八xjs)、绕轴的速度(aroundAxis)和随机方向(randomDirection)。

4．喷射速度：喷射粒子从发射器获得的初始运动速度。不同的粒子发射器采用不同方式定义发射的粒子的速度，其定义方式与发射方向的定义有些类似。

Directionalt和Omni发射器直接用速度(sE)eecl)和速度随机值(Spee(1 1tandom)定义。曲线发射器和曲面发射器的发射速度由四个参数决定：速度(speed)、速度随机值(Speed Ran(10tn)、切向速度(Tarigerlt SI=)eecl)和法向速度(Norma】Speed)。[大]为最终的表像速度是将不同方向的上的速度分量按一定的规则进行合成的结果，所以这几个参数值在最后的表像速度中所占的份额受喷射方向影响，因此确定喷射方向的参数对粒子喷射速度也有间接影响。当粒子发射器有父物体时，喷射粒子的表像速度还受粒子继承性的影响，粒子继承性由粒子的继承因子(Inherit Factor)确定。该参数位于粒子形状参数表(particleShape)发射属性栏(Emission Sttributes)。

0为不继承性，l为完全继承。

动力场

在前面的例子中我们用到了空气场。下面我们对Maya中所有的动力场作一个概述。

在Maya中共有九种力场，这九种力场分别是：空气场(Air)、阻力场(Drag)、重力场(GraVity)、牛顿场(Newton)、放射场(Radial)、扰动场(Turbulence)、统一场(Uniform)、涡旋场(V ortex)和体积轴场(V olume axis)。

空气场(Air)

空气场用来模拟空气效果。空气场又分成三种效果：风力(wind)、痕迹(wake)和风扇(fan)。风力是一种风的效果，所有受影响物体受统一作用；痕迹模拟物体运动产生的空气扰动，空气场动才产生“风力”；风扇只对空气场“前”的物体产生影响。

重力场(Gravity)

模仿地球重力，在某一固定方向产生力的作用。重力场非常类似wind型空气场，都是在同一方向对所有受影响物体起作用。下面我们用一个图示来显示其区别。简单地说在空气场的的作用下，目标物体速度增加到某一值(此值由空气值场强度决定)就不再增加，而在重力场的作用下，目标物体的速度会不断增加。

统一场(Unjform)

统一场在一个统一方向上推动物体。这一点与重力场、空气场是一样的，但因计算方式不同，其作用结果与前二者有所不同。在统一场的作用下，目标物体的速度是在不断增加，但并不是无限增大，而是逐渐趋近于一一个定值。

如果与wind型空气场的作用结果曲线作一个对比，我们会发现二者非常相似，因此除非追求精确的细节，在大多数情况下只需要用空气场就够了。

重力场与空气场、统一场的另一一个重要区别是处于同个重力场的运动状态(位移、速度、加速度)与物体的质量(mass)无关，而处于同一个空气场、统一场中的物体的运动状态受本身质量(mass)大小的影响，质量(mass)越大位移、速度变化越慢。

午顿场(Newton)

牛顿场是一个对称力场，即以力场的作用点为中心对称。对称点的作用力大小相等，方向相反。

牛顿力的作用是按万有引力定义的，两个物体之间的引力大小与两个物体的质量成正比，与二者的距离的平方成反比。任实际使用中1牛顿力可以用来精确地模拟类似行星运动这种大尺度空间的物理现象。处于牛顿场中的自由物体会作往复振荡运动。这里所说的自由物体是指不受其它力的作用也没有初始运动速度的物体。

放射场(Radial)

像磁铁一样推、拉物体。放射场也是一一个对称力场，力的作用方向和作用大小以力场的作用点为中心呈球对称。处于放射场中的自由物体会作往复振荡运动。这里所说的自由物体是指不受其它力的作用也没有初始运动速度的物体。放射场与牛顿场的区别在于物体质量(mass)对运动状态是否有影响：牛顿场中物体运动状态与物体的质量无关，而放射场中物体的质量越大，其惯性越大，位移、速度的变化越慢。直接观察放射场中两个不同质量的物体，我们会发现：质量小的物体振动快，振动幅度大；质量大的物体振动慢，振动幅度小。想想爆炸中各种碎片乱飞的情景，大块的、沉重的碎片飞得慢，小块的、轻的物体飞得快。这是非常经典的放射场的使用方式。

扰动场(Turbulence)

使受影响物体产生无规律运动。用来模拟自然界巾混乱无序的随机运动，如空气、灰尘。

祸旋场(Vorte×)

涡旋是我们在日常生活中经常见的一种现象，拨掉塞子的洗手盆中的水流、龙卷风、

搅拌的咖啡等，涡旋场能很好地模拟这些效果。

阻力场(Drag)

在日常生活中我们会发现大多数物体在运动中，速度在逐渐降低，这是因为有阻力存在。阻力场可以用来模拟阻力对运动物体的作用。将一个动力场的强度减小或给动力场强度作动画与再加入一个阻力场的作用效果是完全不同的，后者更接近自然状态。

体积轴场(V olume Axis)

体积轴场让用户在体积内按不同的方向移动物体。物体的运动与场的轴有关。用体积轴场很容易实现像粒子绕过障碍物流动、太阳耀斑、蘑菇云、爆炸、龙卷风、火箭发射等效果。体积场的形式和参数设定与体积发射器非常相似，可以对照进行理解。

场的属性

前面我们对场进行全面介绍，下面介绍场的几个最重要的特性。

1．场强度(Maginjtude)

所有的九个动力场都用该参数控制力场对受影响物体作用的强弱。此值的数越大，力的作用越强。此参数可取负值，正负值代表相反的方向。对牛顿场，正值代表引力场，负值代表斥力场。对放射场刚好相反，正值代表斥力场，而负值代表引力场。对阻力场正值阻碍当前运动，负值则加速当前运动。

2．场强衰减(Attenuation)

一般情况下力的作用会随着距离的加大而减弱，用过风扇的人都有经验，离风扇越近风力越大，离得远风力就小。Attenuation就是用来控制力的作用衰减的快慢。此参数取值在0到l之间，取值越大，力场的衰减越快。当取值为0时，力场强度没有衰减。

3．最大作用距离(Max clisttarlce)

力场的最大作用范围。此参数是否起作用，取决于开关项Use Max DistanICe的状态。

4．作用方向

空气场(Ai r)、重力场(Gravity)和统一场(Uniform)都是单一方向的，用户可用DirectionX Y Z指定作用的方向。

5．Apply Per Vertex

动力场也可以以～一个物体作为发射源，这时就存在一个问题：力的作用是以‘个整个物体为基础还是以一个物体上每一一个构造点为基础。开关项Apply Per Vertex 来进行这种选择。当我们用一个粒子发射器模拟下雨，我们不可能让所有的雨滴作为一一个整体一起对水产生影响，而是必须让每个雨滴独立作用，这种情况下就要打开本参数，使粒子物体中的每个粒子个体作为一个独立的动力作用源影响水面。

总结

这一节综合介绍了三维特效的一些基本知识，能够让我们对一般的特级效果进行制作。其中涉及到了很多的物理知识和程序表达的知识。为了能够更好的学习和掌握，我们要对这些物理和程序表达的知识近一步的巩固。