基于3dsMax PFlow的建筑常用材料破碎研究

摘 要：隨著3dsMax軟件功能逐步完善，內置的粒子系統在實現粒子碰撞模擬上有了新的突破，解決了三維動畫難以實現特效的問題。為提高建筑倒塌特效的真實性和可控性，基于3dsMax Particle Flow粒子系統，設計了混凝土、木料、磚塊、玻璃等常用材料的破碎動畫。通過反復測試，提煉出容積壓裂方式和粒子流搭配方式。與傳統粒子爆炸相比，Particle Flow模擬的破碎效果更真實，拓展性高、可控性強，為實現大型建筑倒塌特效研究建立了理論基礎，同時也為特效工作人員提供了一個有效手段。

關鍵詞：粒子系統;破碎動畫;三維特效;Particle Flow;3dsMax

DOI：10. 11907/rjdk. 191597

中圖分類號：TP317.4?? 文獻標識碼：A??????????????? 文章編號：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，電腦圖形藝術發展還處于沉睡狀態，各項技術并不成熟，用電腦模擬自然狀態幾乎不可能。1975年，喬治盧卡斯為《星球大戰》創辦ILM工業光魔公司，以解決電影中難以實現的圖像效果。電影的成功使他得到啟發，投身于探索電腦圖形圖像技術運用到電影的可能。1982年初，多倫多大學哲學博士比爾·里佛斯[1]研究的“粒子陣列系統”處理技術，邁出了粒子動畫研究重要一步。1984年，Reeves[2]首次提出了粒子系統出生、消亡和形態等周期理論;1986年，Foumier等[3]提出“海浪模型”;1990年，Karl Sims[4]提出“并行粒子繪制系統”;1992年Teng-SeeLoke等[5]將牛頓運動規律運用到粒子系統;1999年MeAllister[6]開發了OpenGl圖象庫粒子系統。國內特效研究起步較晚。2009年，湛永松采用面向對象技術解決粒子系統模型程序設計方案;2011年，胡垂立研究了After Effects SDK JavaScript表達式實現火焰、雪花、雨滴等特效方法，并提出了最佳粒子設置參數;2012年，陳勍、王少偉分別研究了影視特效的PF、TP、MPS和Houdini等粒子系統，并探討了粒子使用問題;2015年，曾艷春、喻麗春使用OpenGL編程實現了粒子系統編輯器。一直以來，國內在粒子特效方面的研究課題不多，多數學者主要圍繞火焰、水、煙霧等特效進行研究。由于硬件限制，粒子控制和渲染較為困難[7]。本文在前期倒塌測試與分析基礎上[8]，探討Particle Flow粒子系統對建筑材料的破碎表現，以期獲得接近真實效果的破碎參數和粒子流，用于大型建筑倒塌特效制作。

1 Particle Flow概述

1.1 介紹

Houdini、Thinking Particles（后簡稱TP）和Particle Flow（后簡稱PFlow）屬于計算機領域3大重量級的三維粒子系統。其中，PFlow屬于3dsMax內建的事件驅動型粒子系統，由Autodesk公司Oleg Bayborodin博士在2003年開發完成。加拿大BorislavPetrov在CGtalk上發表評論，認為PFlow好比紀錄空間中的粒子資訊，不必依賴模型網格，實用性很強;美國開發者Oleg Bayborodin在CGtalk上發表評論，認為PFlow屬于一個很靈活的軟件，可運用不同方式模擬出粒子效果。

PFlow最早版本為3DStudio Max 5 extension，之后增加了附加插件PFlow Tools Box 1、2，自3dsMax2018版本后該插件完全整合?，F今的PFlow粒子系統在實現對剛體和柔體模擬上有了技術性突破，增加了物理現象模擬的真實性，解決了大部分三維動畫難于實現的特效表現，具有極其重要的研究價值和廣闊的應用前景。

1.2 PFlow粒子流

PFlow粒子系統使用粒子視圖的特殊對話框驅動模型，稱為粒子流。在粒子流中，可將一定時期內描述粒子屬性（如形狀、速度、方向和旋轉的單獨操作符）合并，稱為事件組。每個操作符都提供一組參數，可以設置動畫更改事件期間的粒子行為。隨著事件的發生，系統會不斷計算列表中的每個操作符，并相應更新粒子系統[9]，產生粒子效果。

1.3 驅動模型

PFlow屬于事件驅動粒子系統，它測試粒子屬性并根據測試結果將其發送給不同事件。圖1為CG Academy克里斯湯姆斯的粒子驅動模型。

Particle系統確定一個粒子后，統一到達Birth Particles出生節點，界定出生粒子的數量和顯示時間。Set Particles position指定粒子來源后產出新生粒子，該粒子通過形狀大小節點Shape確定自己的體貌特征，并流入Set InitialSpeed速度和Set Initial Rotation旋轉等節點確定活動方式。具有一定運動方式的粒子來到Particle Speed Faster than 20粒子速度判斷區域。當粒子通過測試判定為Yes（真）時，流入增加Increase Speed速度和任意Random Direction方向的第二個事件中;未通過測試的粒子被判定為NO（假），被繼續保留在該事件中流到下一事件;再次遇到判斷節點時又開始新一輪測試，判斷是否流入第三個事件Delete Particles，死去或回到第一個事件繼續Birth Particles新生，這就是粒子事件性驅動模型。

2 材料破碎動畫研究

2.1 實驗環境

處理器為Intel酷睿i7 8700，內存為32G，顯卡為GTX1070 8G，硬盤至少10G剩余空間，操作系統為Windows 10，開發軟件為3dsMax 2018教育版和Volume Breaker插件。

2.2 混凝土類

2.2.1 材質分析

鋼筋混凝土又稱鋼筋砼，是建筑工地常見的建筑材料，廣泛用于建筑物的結構搭建。由于鋼筋砼是運用鐵絲將鋼筋固定成所需結構形狀，并用混凝土澆灌定型，因此受到外力沖撞時能通過鋼筋對受力點進行分散，具有較強的硬度，不易破碎，以及一定的抗震、抗擊、耐久性。

由于運用沙石澆灌定型，因此倒塌過程中碎裂的鋼筋混凝土會伴有灰塵和碎石塊，部分較大碎塊中留有斷鋼筋。模擬此類建筑倒塌破碎前，需考慮在破碎模型內部創建鋼筋結構。建筑倒塌后，部分模型需在破裂處伴有鋼筋模型結構，以還原鋼筋混凝土真實破碎后的效果。混凝土的材質相對單一，大部分都以灰色系呈現，表面具有較細的凹凸質感。由于是多種沙、土與水泥混合，因此從碎塊破面可以看到混雜的石塊。由于長時間的風沙侵蝕和人為因素影響，墻面會變陳舊，表面顏色會以黃灰色呈現，濕潤的氣候也會使墻角伴有青苔痕跡。

2.2.2 實驗方法

運用3dsMax Editable Poly構建墻面三維模型，將模型分為墻體混凝土與鋼筋兩部分，其中墻體模型用于破碎，鋼筋模型做斷裂段，模擬倒塌后受損鋼筋。進行Volume Breaker幾何容積壓裂模型破碎實驗。混泥土碎片的切線模擬主要由Raster切線半徑和Density密度參數組成，其中Raster切線半徑用于控制碎片切線半徑，Density密度控制碎片切線，見表1。對數值進行調整后得出3類結果：

（1）當切割域發射值為20mm時，破碎模型較細，成粉碎狀態。適于表現較大較重物體碾壓和倒塌后地面亂石場面的營造。

（2）當切割域發射值為30mm時，破碎塊較適中，適合大部分房屋墻面塌毀動畫制作。

（3）當切割域發射值為50mm時，切面大的模型具有體積感和厚重感，適合于較大塊面的混凝土塊表現。

將混凝土破碎模型加入粒子組，并勾選Group Members獨立群組粒子模塊。由于模型屬于不規則物體，因此Collide As碰撞為Convex Hull凸殼;Bounce and Friction group為反彈與摩擦組，物體掉落在地上有0.1的反彈力，并產生0.87的動摩擦力;運用By Density密度決定物體質量，較大的顆粒粒子具有更大的質量，而不是平均質量，見圖2。

設置PhysX World世界空間坐標中的Group Bounce And Friction反彈與摩擦組，使物體下落后能產生真實的混凝土摩擦動畫效果;墻面受到震波影響時會有不同程度的碎裂，碎塊的產生會根據墻體承受力決定，因此在混凝土制作中加入PhysX Collision物理碰撞，模擬局部模型內部鋼筋拉扯的效果。

2.2.3 實驗結果

使用平衡力驅動，渲染模型得到混凝土破碎動畫。從模擬動畫中可以看到墻面在產生碎裂后開始倒塌，倒塌過程中粒子間相互碰撞，并伴有粒子碎塊掉落，接近真實混凝土破碎效果，如圖3所示。

2.3 木料類

2.3.1 材質分析

木材是常見的建筑用料和裝飾材料，中國古代建筑大多以木質材料為主。木質建筑材料具有一定的韌性，但抗壓性能較差，受到外力沖撞時容易破損。由于成本較低，搭建工藝相對于混凝土簡單得多，因此多數平房都使用此材料進行搭建。木質材料外觀特點是木質紋理。由于紋理的特殊性使得木質物體破碎形狀有別于石頭或玻璃，破碎裂縫通常都會順著木紋裂開，具有一定的方向性。從木紋外觀可以看出，木紋材質屬于低高光度并帶有一定凹凸機理，沒有反光和折射，但建筑中的木材通常會刷上一定的防腐材料（如油漆），因此具有一定的光澤。

2.3.2 實驗方法

創建木塊三維模型，通過調整與編輯點、線、面，使模型外形接近于木板尺寸。添加Volume Breaker幾何容積壓裂進行破碎實驗，見表2。木塊碎片的切線模擬主要由Raster切割域、Density密度和Gizmo切線比例參數控制。對數值進行調整后可得出3類常用結果。

（1）較細的密度值和較細的Gizmo可塑造出較大木料的模型切線，適合于模擬大型物體壓裂的木塊狀態。

（2）密度與Gizmo適中的破碎模型，使碎塊破碎后具有清晰的木料特征和結構，對于近景木塊動畫的表現效果很好。

（3）較高的密度值和較細的Gizmo可以營造較細的木塊碎裂模型，較小體積的模型木塊碎渣適合營造木料爆炸后的碎渣效果。

將木料破碎模型加入粒子組，如圖4所示。同理勾選Group Members獨立群組粒子模塊。由于模型屬于不規則物體，因此設置Collide As碰撞為Convex Hull凸殼;Bounce and Friction group反彈與摩擦組物體掉落后在地上有0.03的反彈力，此彈力值設置用于模擬木塊相互碰撞的韌性，并產生0.87的動摩擦力;世界空間的彈力為0.06，產生的反彈與物體一樣。

2.3.3 實驗結果

對模型模擬后得到木料破碎動畫，如圖5所示。從模擬動畫可以看到，木塊被縱向劈開，向兩邊滑落，木塊與木塊接觸后以及到底面時受一定彈力影響，有略微回彈隨機錯落疊加，體現了藝術美學效果。

2.4 磚塊類

2.4.1 材質分析

磚是一種建筑材料，外觀呈長方體小塊狀，為構成墻體主要材料。磚塊通過與混泥土堆砌而成磚墻。磚塊多以灰橘紅色呈現，由于砌塊帶有空氣，表面會呈現出凹凸不平的小空洞。

2.4.2 實驗方法

創建幾何體三維模型結構，調整、編輯出物體外輪廓形狀。進行Volume Breaker幾何容積壓裂破碎實驗。磚塊切線由Width寬度、Height高度、Depth深度和W-Offset偏移值控制。其中寬度和高度對應木塊的大小與寬窄，深度控制模型厚度。由于磚塊是錯位放置，因此W-Offset偏移值可以調整出錯位塊面效果。對數值進行調整后可得出3類常用結果，見表3。

（1）寬度為20mm，深度和高度都在10mm破面呈現規則的長方體形狀，調整50偏移值后模型為磚墻的橫截圖，用于常見磚墻的模型模擬。

（2）寬度為10mm，深度和高度都在10mm，調整偏移值為0時，模型為正方形狀態，可用于地磚、瓷磚等建筑裝飾物體模擬。

（3）寬度為10mm，深度和高度都在5mm，調整偏移值為0，此時模型截面為長方形特征，可用于前面裝飾的模擬。

將磚塊破碎模型加入粒子組，如圖6所示。由于模型屬于不規則物體，因此設置Collide As碰撞為Convex Hull凸殼;Bounce and Friction group為反彈與摩擦組，設置物體受力后產生0.5的動摩擦力;設置PhysX World世界空間的Acceleration重力為300，摩擦力為0.5，不產生反彈。

2.4.3 結論

使用碰撞驅動，模型模擬磚塊破碎動畫如圖7所示。從模擬動畫可以看出，墻面產生碎裂后開始倒塌，下落的磚塊相互碰撞，物體落體后形成堆砌效果，基本接近于真實墻體倒塌。

2.5 玻璃類

2.5.1 材質分析

玻璃是一種透明、不透氣并具有一定硬度的物料，建筑窗戶的玻璃在日常環境中呈化學惰性，是一種非晶形過冷液體。融解的玻璃迅速冷卻，各分子因沒有足夠時間形成晶體而形成玻璃。

玻璃具有一定硬度，但受到一定強度震波影響后易大面積破碎，碎片顆粒形狀不均，具有一定鋒利性。材質表面較平滑，但如磨砂玻璃等具有特殊質感的玻璃表面具有紋理，帶有一定的透明度，具有反射與折射等特性。

2.5.2 實驗方法

構建窗子和窗框的三維模型，破碎效果在窗子模型上實施。進行Volume Breaker幾何容積壓裂模型破碎實驗。磚塊切線由Width寬度、Height高度、Depth深度和W-Offset偏移值控制。其中Width寬度和Height高度對應木塊的大小與寬窄，Depth深度控制模型厚度。對數值進行調整后可得出3類常用結果，見表4。

（1）第一半徑為500mm，第二半徑為1 000mm，模型從中心位置破碎后向外散開，呈現出蜘蛛網狀的切線效果，可用于子彈射擊玻璃后的破碎效果。

（2）第一半徑不變，第二半徑為2 000mm，玻璃模型切線密度由外向里逐漸密集。破碎后窗邊緣的碎塊略大，可模擬出玻璃未完全碎裂粘連在框邊的效果。

（3）第一半徑不變，第二半徑為3 000mm，碎片成類似蜂窩狀的碎小鈍角顆粒，適合模擬鋼化玻璃破碎后的碎片。

將玻璃破碎模型加入粒子組，見圖8。勾選Group Members獨立群組粒子模塊，使其能夠把組中粒子計算為對象元素;由于模型屬于不規則物體，因此設置Collide As碰撞為Convex Hull凸殼。Bounce and Friction group為反彈與摩擦組;設置物體掉落后在地上有0.18的反彈力，并產生0.43的動摩擦力;在密度設置中，運用By Density密度決定物體質量，較大的顆粒粒子具有更大的質量而不是平均質量。PhysX Switch物理時間控制用于控制破碎時間;設置PhysX World世界空間坐標中的Group Bounce And Friction為反彈與摩擦組，使物體下落后能產生真實的玻璃破碎效果;由于玻璃由邊框固定，因此加入PhysX Collision物理碰撞，模擬玻璃垮塌時碰撞效果。

2.5.3 結論

使用碰撞驅動，對模型模擬后得到玻璃破碎動畫，見圖9。從動畫中可以看到，玻璃在產生碎裂后開始倒塌，邊緣處由于有膠，產生部分粘連，在重力和拉力影響下又脫落。下落的碎塊相互碰撞，物體落體后形成堆砌效果，基本接近真實落體情況。

3 結語

本文使用3dsMax PFlow粒子系統，模擬混泥土、木料、磚塊、玻璃等常用建筑材料的破碎動畫。通過采用幾何容積壓裂進行破碎實驗，建立了一套PFlow粒子流動畫模型。該方法基于粒子系統物理模擬技術，與傳統3dsMax粒子爆炸相比效果更真實，拓展性高、可控性強，能有效提高三維特效制作效率，為模擬真實建筑倒塌特效奠定了基礎。后續將深入研究大型建筑倒塌中的多粒子碰撞效果，以提高大型粒子運算效率和渲染品質。

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（責任編輯：杜能鋼）

收稿日期：2019-04-24

基金項目：昆明理工大學慕課建設項目（1096843005）

作者簡介：李虹江（1983-），男，碩士，昆明理工大學城市學院講師，研究方向為三維動畫、虛擬現實。