基于3dsMax PFlow的建筑常用材料破碎研究

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　　摘 要：随着3dsMax软件功能逐步完善，内置的粒子系统在实现粒子碰撞模拟上有了新的突破，解决了三维动画难以实现特效的问题。为提高建筑倒塌特效的真实性和可控性，基于3dsMax Particle Flow粒子系统，设计了混凝土、木料、砖块、玻璃等常用材料的破碎动画。通过反复测试，提炼出容积压裂方式和粒子流搭配方式。与传统粒子爆炸相比，Particle Flow模拟的破碎效果更真实，拓展性高、可控性强，为实现大型建筑倒塌特效研究建立了理论基础，同时也为特效工作人员提供了一个有效手段。
　　关键词：粒子系统;破碎动画;三维特效;Particle Flow;3dsMax
　　DOI：10. 11907/rjdk. 191597
　　中图分类号：TP317.4    文献标识码：A                 文章编号：1672-7800（2020）003-0238-06
　　Research on Material Breaking of Buildings Based on 3dsMax PFlow
　　LI Hong-jiang
　　（City College，Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China）
　　Abstract：With the upgrade of the 3dsMax version and the gradual improvement of functions， the built-in particle system has made a new breakthrough in particle collision simulation， solving the special effects that are difficult to achieve in 3D animation. In order to improve the authenticity and controllability of the building collapse effect， based on the 3dsMax Particle Flow particle system， the crushing animation of common materials such as concrete， wood， brick， glass， etc. was designed. Through repeated testing， the volume fracturing method was extracted. Compared with the traditional particle explosion， the particle flow simulation simulated by Particle Flow is more realistic， highly expandsble and controllable. It has established a theoretical basis for the study of the special effects of large-scale building collapse， and also provided an effective reference for special effects production staff.
　　Key Words：particle system; crushing animation; 3D effects; Particle Flow; 3dsMax
　　0 引言
　　20世紀70年代前，电脑图形艺术发展还处于沉睡状态，各项技术并不成熟，用电脑模拟自然状态几乎不可能。1975年，乔治卢卡斯为《星球大战》创办ILM工业光魔公司，以解决电影中难以实现的图像效果。电影的成功使他得到启发，投身于探索电脑图形图像技术运用到电影的可能。1982年初，多伦多大学哲学博士比尔·里佛斯[1]研究的“粒子阵列系统”处理技术，迈出了粒子动画研究重要一步。1984年，Reeves[2]首次提出了粒子系统出生、消亡和形态等周期理论;1986年，Foumier等[3]提出“海浪模型”;1990年，Karl Sims[4]提出“并行粒子绘制系统”;1992年Teng-SeeLoke等[5]将牛顿运动规律运用到粒子系统;1999年MeAllister[6]开发了OpenGl图象库粒子系统。国内特效研究起步较晚。2009年，湛永松采用面向对象技术解决粒子系统模型程序设计方案;2011年，胡垂立研究了After Effects SDK JavaScript表达式实现火焰、雪花、雨滴等特效方法，并提出了最佳粒子设置参数;2012年，陈勍、王少伟分别研究了影视特效的PF、TP、MPS和Houdini等粒子系统，并探讨了粒子使用问题;2015年，曾艳春、喻丽春使用OpenGL编程实现了粒子系统编辑器。一直以来，国内在粒子特效方面的研究课题不多，多数学者主要围绕火焰、水、烟雾等特效进行研究。由于硬件限制，粒子控制和渲染较为困难[7]。本文在前期倒塌测试与分析基础上[8]，探讨Particle Flow粒子系统对建筑材料的破碎表现，以期获得接近真实效果的破碎参数和粒子流，用于大型建筑倒塌特效制作。
　　1 Particle Flow概述
　　1.1 介绍
　　Houdini、Thinking Particles（后简称TP）和Particle Flow（后简称PFlow）属于计算机领域3大重量级的三维粒子系统。其中，PFlow属于3dsMax内建的事件驱动型粒子系统，由Autodesk公司Oleg Bayborodin博士在2003年开发完成。加拿大BorislavPetrov在CGtalk上发表评论，认为PFlow好比纪录空间中的粒子资讯，不必依赖模型网格，实用性很强;美国开发者Oleg Bayborodin在CGtalk上发表评论，认为PFlow属于一个很灵活的软件，可运用不同方式模拟出粒子效果。 　　PFlow最早版本为3DStudio Max 5 extension，之后增加了附加插件PFlow Tools Box 1、2，自3dsMax2018版本后该插件完全整合。现今的PFlow粒子系统在实现对刚体和柔体模拟上有了技术性突破，增加了物理现象模拟的真实性，解决了大部分三维动画难于实现的特效表现，具有极其重要的研究价值和广阔的应用前景。
　　1.2 PFlow粒子流
　　PFlow粒子系統使用粒子视图的特殊对话框驱动模型，称为粒子流。在粒子流中，可将一定时期内描述粒子属性（如形状、速度、方向和旋转的单独操作符）合并，称为事件组。每个操作符都提供一组参数，可以设置动画更改事件期间的粒子行为。随着事件的发生，系统会不断计算列表中的每个操作符，并相应更新粒子系统[9]，产生粒子效果。
　　1.3 驱动模型
　　PFlow属于事件驱动粒子系统，它测试粒子属性并根据测试结果将其发送给不同事件。图1为CG Academy克里斯汤姆斯的粒子驱动模型。
　　Particle系统确定一个粒子后，统一到达Birth Particles出生节点，界定出生粒子的数量和显示时间。Set Particles position指定粒子来源后产出新生粒子，该粒子通过形状大小节点Shape确定自己的体貌特征，并流入Set InitialSpeed速度和Set Initial Rotation旋转等节点确定活动方式。具有一定运动方式的粒子来到Particle Speed Faster than 20粒子速度判断区域。当粒子通过测试判定为Yes（真）时，流入增加Increase Speed速度和任意Random Direction方向的第二个事件中;未通过测试的粒子被判定为NO（假），被继续保留在该事件中流到下一事件;再次遇到判断节点时又开始新一轮测试，判断是否流入第三个事件Delete Particles，死去或回到第一个事件继续Birth Particles新生，这就是粒子事件性驱动模型。
　　2 材料破碎动画研究
　　2.1 实验环境
　　处理器为Intel酷睿i7 8700，内存为32G，显卡为GTX1070 8G，硬盘至少10G剩余空间，操作系统为Windows 10，开发软件为3dsMax 2018教育版和Volume Breaker插件。
　　2.2 混凝土类
　　2.2.1 材质分析
　　钢筋混凝土又称钢筋砼，是建筑工地常见的建筑材料，广泛用于建筑物的结构搭建。由于钢筋砼是运用铁丝将钢筋固定成所需结构形状，并用混凝土浇灌定型，因此受到外力冲撞时能通过钢筋对受力点进行分散，具有较强的硬度，不易破碎，以及一定的抗震、抗击、耐久性。
　　由于运用沙石浇灌定型，因此倒塌过程中碎裂的钢筋混凝土会伴有灰尘和碎石块，部分较大碎块中留有断钢筋。模拟此类建筑倒塌破碎前，需考虑在破碎模型内部创建钢筋结构。建筑倒塌后，部分模型需在破裂处伴有钢筋模型结构，以还原钢筋混凝土真实破碎后的效果。混凝土的材质相对单一，大部分都以灰色系呈现，表面具有较细的凹凸质感。由于是多种沙、土与水泥混合，因此从碎块破面可以看到混杂的石块。由于长时间的风沙侵蚀和人为因素影响，墙面会变陈旧，表面颜色会以黄灰色呈现，湿润的气候也会使墙角伴有青苔痕迹。
　　2.2.2 实验方法
　　运用3dsMax Editable Poly构建墙面三维模型，将模型分为墙体混凝土与钢筋两部分，其中墙体模型用于破碎，钢筋模型做断裂段，模拟倒塌后受损钢筋。进行Volume Breaker几何容积压裂模型破碎实验。混泥土碎片的切线模拟主要由Raster切线半径和Density密度参数组成，其中Raster切线半径用于控制碎片切线半径，Density密度控制碎片切线，见表1。对数值进行调整后得出3类结果：
　　（1）当切割域发射值为20mm时，破碎模型较细，成粉碎状态。适于表现较大较重物体碾压和倒塌后地面乱石场面的营造。
　　（2）当切割域发射值为30mm时，破碎块较适中，适合大部分房屋墙面塌毁动画制作。
　　（3）当切割域发射值为50mm时，切面大的模型具有体积感和厚重感，适合于较大块面的混凝土块表现。
　　将混凝土破碎模型加入粒子组，并勾选Group Members独立群组粒子模块。由于模型属于不规则物体，因此Collide As碰撞为Convex Hull凸壳;Bounce and Friction group为反弹与摩擦组，物体掉落在地上有0.1的反弹力，并产生0.87的动摩擦力;运用By Density密度决定物体质量，较大的颗粒粒子具有更大的质量，而不是平均质量，见图2。
　　设置PhysX World世界空间坐标中的Group Bounce And Friction反弹与摩擦组，使物体下落后能产生真实的混凝土摩擦动画效果;墙面受到震波影响时会有不同程度的碎裂，碎块的产生会根据墙体承受力决定，因此在混凝土制作中加入PhysX Collision物理碰撞，模拟局部模型内部钢筋拉扯的效果。
　　2.2.3 实验结果
　　使用平衡力驱动，渲染模型得到混凝土破碎动画。从模拟动画中可以看到墙面在产生碎裂后开始倒塌，倒塌过程中粒子间相互碰撞，并伴有粒子碎块掉落，接近真实混凝土破碎效果，如图3所示。
　　2.3 木料类
　　2.3.1 材质分析
　　木材是常见的建筑用料和装饰材料，中国古代建筑大多以木质材料为主。木质建筑材料具有一定的韧性，但抗压性能较差，受到外力冲撞时容易破损。由于成本较低，搭建工艺相对于混凝土简单得多，因此多数平房都使用此材料进行搭建。木质材料外观特点是木质纹理。由于纹理的特殊性使得木质物体破碎形状有别于石头或玻璃，破碎裂缝通常都会顺着木纹裂开，具有一定的方向性。从木纹外观可以看出，木纹材质属于低高光度并带有一定凹凸机理，没有反光和折射，但建筑中的木材通常会刷上一定的防腐材料（如油漆），因此具有一定的光泽。 　　2.3.2 实验方法
　　创建木块三维模型，通过调整与编辑点、线、面，使模型外形接近于木板尺寸。添加Volume Breaker几何容积压裂进行破碎实验，见表2。木块碎片的切线模拟主要由Raster切割域、Density密度和Gizmo切线比例参数控制。对数值进行调整后可得出3类常用结果。
　　（1）较细的密度值和较细的Gizmo可塑造出较大木料的模型切线，适合于模拟大型物体压裂的木块状态。
　　（2）密度与Gizmo适中的破碎模型，使碎块破碎后具有清晰的木料特征和结构，对于近景木块动画的表现效果很好。
　　（3）较高的密度值和较细的Gizmo可以营造较细的木块碎裂模型，较小体积的模型木块碎渣适合营造木料爆炸后的碎渣效果。
　　将木料破碎模型加入粒子组，如图4所示。同理勾选Group Members独立群组粒子模块。由于模型属于不规则物体，因此设置Collide As碰撞为Convex Hull凸壳;Bounce and Friction group反弹与摩擦组物体掉落后在地上有0.03的反弹力，此弹力值设置用于模拟木块相互碰撞的韧性，并产生0.87的动摩擦力;世界空间的弹力为0.06，产生的反弹与物体一样。
　　2.3.3 实验结果
　　对模型模拟后得到木料破碎动画，如图5所示。从模拟动画可以看到，木块被纵向劈开，向两边滑落，木块与木块接触后以及到底面时受一定弹力影响，有略微回弹随机错落叠加，体现了艺术美学效果。
　　2.4 砖块类
　　2.4.1 材质分析
　　砖是一种建筑材料，外观呈长方体小块状，为构成墙体主要材料。砖块通过与混泥土堆砌而成砖墙。砖块多以灰橘红色呈现，由于砌块带有空气，表面会呈现出凹凸不平的小空洞。
　　2.4.2 实验方法
　　创建几何体三维模型结构，调整、编辑出物体外轮廓形状。进行Volume Breaker几何容积压裂破碎实验。砖块切线由Width宽度、Height高度、Depth深度和W-Offset偏移值控制。其中宽度和高度对应木块的大小与宽窄，深度控制模型厚度。由于砖块是错位放置，因此W-Offset偏移值可以调整出错位块面效果。对数值进行调整后可得出3类常用结果，见表3。
　　（1）宽度为20mm，深度和高度都在10mm破面呈现规则的长方体形状，调整50偏移值后模型为砖墙的横截图，用于常见砖墙的模型模拟。
　　（2）宽度为10mm，深度和高度都在10mm，调整偏移值为0时，模型为正方形状态，可用于地砖、瓷砖等建筑装饰物体模拟。
　　（3）宽度为10mm，深度和高度都在5mm，调整偏移值为0，此时模型截面为长方形特征，可用于前面装饰的模拟。
　　将砖块破碎模型加入粒子组，如图6所示。由于模型属于不规则物体，因此设置Collide As碰撞为Convex Hull凸壳;Bounce and Friction group为反弹与摩擦组，设置物体受力后产生0.5的动摩擦力;设置PhysX World世界空间的Acceleration重力为300，摩擦力为0.5，不产生反弹。
　　2.4.3 结论
　　使用碰撞驱动，模型模拟砖块破碎动画如图7所示。从模拟动画可以看出，墙面产生碎裂后开始倒塌，下落的砖块相互碰撞，物体落体后形成堆砌效果，基本接近于真实墙体倒塌。
　　2.5 玻璃类
　　2.5.1 材质分析
　　玻璃是一种透明、不透气并具有一定硬度的物料，建筑窗户的玻璃在日常环境中呈化学惰性，是一种非晶形过冷液体。融解的玻璃迅速冷却，各分子因没有足够时间形成晶体而形成玻璃。
　　玻璃具有一定硬度，但受到一定强度震波影响后易大面积破碎，碎片颗粒形状不均，具有一定锋利性。材质表面较平滑，但如磨砂玻璃等具有特殊质感的玻璃表面具有纹理，带有一定的透明度，具有反射与折射等特性。
　　2.5.2 实验方法
　　构建窗子和窗框的三维模型，破碎效果在窗子模型上实施。进行Volume Breaker几何容积压裂模型破碎实验。砖块切线由Width寬度、Height高度、Depth深度和W-Offset偏移值控制。其中Width宽度和Height高度对应木块的大小与宽窄，Depth深度控制模型厚度。对数值进行调整后可得出3类常用结果，见表4。
　　（1）第一半径为500mm，第二半径为1 000mm，模型从中心位置破碎后向外散开，呈现出蜘蛛网状的切线效果，可用于子弹射击玻璃后的破碎效果。
　　（2）第一半径不变，第二半径为2 000mm，玻璃模型切线密度由外向里逐渐密集。破碎后窗边缘的碎块略大，可模拟出玻璃未完全碎裂粘连在框边的效果。
　　（3）第一半径不变，第二半径为3 000mm，碎片成类似蜂窝状的碎小钝角颗粒，适合模拟钢化玻璃破碎后的碎片。
　　将玻璃破碎模型加入粒子组，见图8。勾选Group Members独立群组粒子模块，使其能够把组中粒子计算为对象元素;由于模型属于不规则物体，因此设置Collide As碰撞为Convex Hull凸壳。Bounce and Friction group为反弹与摩擦组;设置物体掉落后在地上有0.18的反弹力，并产生0.43的动摩擦力;在密度设置中，运用By Density密度决定物体质量，较大的颗粒粒子具有更大的质量而不是平均质量。PhysX Switch物理时间控制用于控制破碎时间;设置PhysX World世界空间坐标中的Group Bounce And Friction为反弹与摩擦组，使物体下落后能产生真实的玻璃破碎效果;由于玻璃由边框固定，因此加入PhysX Collision物理碰撞，模拟玻璃垮塌时碰撞效果。 　　2.5.3 结论
　　使用碰撞驱动，对模型模拟后得到玻璃破碎动画，见图9。从动画中可以看到，玻璃在产生碎裂后开始倒塌，边缘处由于有胶，产生部分粘连，在重力和拉力影响下又脱落。下落的碎块相互碰撞，物体落体后形成堆砌效果，基本接近真实落体情况。
　　3 结语
　　本文使用3dsMax PFlow粒子系统，模拟混泥土、木料、砖块、玻璃等常用建筑材料的破碎动画。通过采用几何容积压裂进行破碎实验，建立了一套PFlow粒子流动画模型。该方法基于粒子系统物理模拟技术，与传统3dsMax粒子爆炸相比效果更真实，拓展性高、可控性强，能有效提高三维特效制作效率，为模拟真实建筑倒塌特效奠定了基础。后续将深入研究大型建筑倒塌中的多粒子碰撞效果，以提高大型粒子运算效率和渲染品质。
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　　（責任编辑：杜能钢）
　　收稿日期：2019-04-24
　　基金项目：昆明理工大学慕课建设项目（1096843005）
　　作者简介：李虹江（1983-），男，硕士，昆明理工大学城市学院讲师，研究方向为三维动画、虚拟现实。
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