桂學(xué)哲

（長春光華學(xué)院 電影學(xué)院，吉林 長春 130000）

一、前言

粒子系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用于電腦特效領(lǐng)域中，作為一種常見的三維動(dòng)畫技術(shù)，其在畫面展示層面的優(yōu)勢是很多技術(shù)都無法替代的。粒子系統(tǒng)的應(yīng)用原理在于將無規(guī)則形狀的物質(zhì)先拆分開，用粒子團(tuán)重新組成物質(zhì)整體，粒子團(tuán)中的每一個(gè)粒子都是獨(dú)立存在的，而且有著自己的顏色、形狀、屬性，在動(dòng)態(tài)變化的過程中，粒子也會(huì)改變自己的形態(tài)，從而符合正各物質(zhì)的外部動(dòng)態(tài)情況[1]。這種動(dòng)態(tài)變化的系統(tǒng)非常適合展示物體的運(yùn)動(dòng)軌跡，所以粒子系統(tǒng)也經(jīng)常性的用于模擬火焰、風(fēng)雪、海浪、煙霧等，經(jīng)過粒子系統(tǒng)特效處理的畫面，不僅變化多端，而且震撼力極強(qiáng)。

二、粒子系統(tǒng)原理及應(yīng)用

粒子系統(tǒng)的概念最早源于1983年，其最初的思想是將很多簡單形狀的微小顆粒作為基本元素，拼接成不規(guī)則的模糊物體，構(gòu)建一個(gè)以單個(gè)顆粒為單位的封閉系統(tǒng)。在粒子系統(tǒng)概念誕生之后，很多專家也在不斷延伸著相關(guān)研究，探索著粒子系統(tǒng)的更多可能，隨著時(shí)間的不斷發(fā)展，粒子系統(tǒng)產(chǎn)生了更加細(xì)致的分類，例如有專門針對火焰爆炸的粒子系統(tǒng)，也有對河流、瀑布等動(dòng)態(tài)場景進(jìn)行模擬的單獨(dú)系統(tǒng)，在應(yīng)用粒子系統(tǒng)進(jìn)行物體形態(tài)表達(dá)的過程中。

第一，需要分析物體的整體靜態(tài)特征，為每一個(gè)粒子定義好最初的屬性。第二，要了解物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為粒子的運(yùn)動(dòng)過程設(shè)定下個(gè)性化的時(shí)間函數(shù)。第三，為粒子賦予初始的屬性，將其納入到整個(gè)系統(tǒng)中。第四，根據(jù)粒子的動(dòng)態(tài)屬性移動(dòng)，改變粒子的路徑。第五，刪除已經(jīng)結(jié)束動(dòng)作路徑的粒子。第六，繪制并顯示所有正在活躍的粒子組成的圖形。

任何一個(gè)動(dòng)態(tài)物體的呈現(xiàn)都是粒子系統(tǒng)的循環(huán)操作，經(jīng)由不規(guī)則的動(dòng)態(tài)變化，最終形成畫面，粒子系統(tǒng)不僅可以被應(yīng)用于電影特效領(lǐng)域，其在軍事領(lǐng)域和游戲領(lǐng)域也是重要的技術(shù)。在軍事模擬中，技術(shù)人員會(huì)通過粒子系統(tǒng)展現(xiàn)戰(zhàn)場的實(shí)際環(huán)境，模擬爆炸時(shí)產(chǎn)生的碎片以及狂風(fēng)中的實(shí)力，由粒子系統(tǒng)所構(gòu)建的戰(zhàn)場逼真效果是優(yōu)于傳統(tǒng)的部隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)和單兵協(xié)同訓(xùn)練的[2]。游戲領(lǐng)域?qū)τ诹Ｗ酉到y(tǒng)的應(yīng)用可以增強(qiáng)游戲的實(shí)時(shí)互動(dòng)性，提高游戲者的切身體驗(yàn)。

三、粒子系統(tǒng)在火焰特效中的應(yīng)用

從日常生活的經(jīng)驗(yàn)上看，火焰的動(dòng)態(tài)形象像是由無數(shù)個(gè)出現(xiàn)又消失、消失又出現(xiàn)的例子團(tuán)構(gòu)成。在沒有應(yīng)用粒子系統(tǒng)表現(xiàn)火焰時(shí)，往往會(huì)采用實(shí)拍方法，在應(yīng)用了粒子系統(tǒng)之后，很多電影都運(yùn)用其表現(xiàn)場景，例如《哈利波特》《指環(huán)王》《神奇四俠》等等，今年來也有很多以火焰特效著稱的電影，例如《靈魂戰(zhàn)車》中有著大量的火焰特效應(yīng)用。

從安全的角度上看，粒子系統(tǒng)對火焰的模擬可以降低拍攝的成本，同時(shí)控制好畫面的呈現(xiàn)，以往拍攝火燒場景時(shí)都會(huì)使用柴油或者是火油，不僅在燃燒之后會(huì)產(chǎn)生大量的濃煙，拍出來的畫面也不夠清晰，影響了藝術(shù)美感，此類拍攝往往需要重復(fù)多次，危險(xiǎn)系數(shù)較高[3]。粒子系統(tǒng)的應(yīng)用基本上可以做到超越現(xiàn)實(shí)，將各種魔幻和奇幻的效果立體化的展現(xiàn)出來，而且非常安全。

在《指環(huán)王》系列電影中，為了塑造周身燃油火焰的角色，技術(shù)人員對火焰外焰的變化參數(shù)進(jìn)行了精準(zhǔn)的掌控，每一小段外焰都在跟隨著環(huán)境的變化而不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電影涉及到火焰噴射效果時(shí)，也可以以使用粒子系統(tǒng)進(jìn)行呈現(xiàn)，很多模擬火箭尾焰、飛機(jī)煙霧的畫面都是由粒子系統(tǒng)所呈現(xiàn)的。具體方法為：運(yùn)用三維模型建立發(fā)射點(diǎn)，對噴射的火焰進(jìn)行分型旋動(dòng)，再對不同的發(fā)射點(diǎn)層層重疊，從而讓噴射出來的氣流或者火焰自然的四散開來，帶來逼真的視覺效果。

四、粒子系統(tǒng)制造的海洋效果

粒子系統(tǒng)的優(yōu)勢也在于可以逼真的模擬海浪以及浪花，水的質(zhì)感模擬難度較大，而且需要關(guān)注到更多周邊環(huán)境的關(guān)系互動(dòng)。在《泰坦尼克號》這部電影中，曾經(jīng)讓技術(shù)人員很苦惱的問題在于如何讓計(jì)算機(jī)制作出的海洋更加真實(shí)，如果沒有考慮到環(huán)境、空間、時(shí)間和季節(jié)的特征，則會(huì)使海水呈現(xiàn)出一種單一的塑料感，技術(shù)人員需要不斷對風(fēng)光影和地理位置進(jìn)行參數(shù)分析，起到以假亂真的效果[4]。最終，《泰坦尼克號》的劃時(shí)代問世，向電影從業(yè)者正式宣告，計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)可以構(gòu)建出符合電影拍攝需求的虛擬水世界。

在電影《后天》中，有大量的洪水場景，影片中要表現(xiàn)出紐約被洪水淹沒的場景，如果僅憑模擬海洋和調(diào)色這兩種基本的CG技術(shù)，是無法滿足電影的場景要求的。此時(shí)，制作團(tuán)隊(duì)采用了分層制作的方法，先用計(jì)算機(jī)模擬洪水進(jìn)入紐約后的流向，然后再由特效人員制作出沖擊感十足的浪花，配合雷電效果進(jìn)行效果的復(fù)合。然而受限于技術(shù)，演員在雨水互動(dòng)時(shí)細(xì)節(jié)表現(xiàn)力仍然是不夠的，所以電影中有大量場景都是水花直接吞沒人群，以彌補(bǔ)技術(shù)細(xì)節(jié)上的漏洞。在演員和水互動(dòng)的近距離畫面中，導(dǎo)演采用棚內(nèi)實(shí)拍的方法，現(xiàn)場拍攝和CG技術(shù)之間的互相切換，在一定程度上降低了電影的真實(shí)感。

到了2014年的《星際穿越》，其中有一幕為主角在接近黑洞之前遇到了一個(gè)海浪高達(dá)數(shù)千米的星球，在這樣的巨浪下，原有的水參數(shù)已經(jīng)無法發(fā)揮作用，此時(shí)制作團(tuán)隊(duì)增加了手工動(dòng)畫的方式，繪制了大量氣泡，波浪以及水花，通過內(nèi)部軟件先模擬效果，最終呈現(xiàn)出《星際穿越》中逼真的視覺體現(xiàn)，這也是傳統(tǒng)技術(shù)和CG技術(shù)的完美結(jié)合。

《少年派的奇幻漂流》中對于水環(huán)境的塑造，較《后天》來說更加細(xì)致。電影中有70%的畫面都是海洋環(huán)境，所以進(jìn)行實(shí)拍基本是不可能的，模擬出真實(shí)的海洋畫面是電影拍攝之前需要解決的重大問題。在技術(shù)處理上，《少年派的奇幻漂流》中很多海洋畫面都是根據(jù)實(shí)拍的素材進(jìn)行數(shù)字化處理，在收集完數(shù)據(jù)之后統(tǒng)一調(diào)整。導(dǎo)演李安帶領(lǐng)特效團(tuán)隊(duì)仔細(xì)研究了水流、波浪形狀以及海浪頻率的特征，也特意為電影中的海浪效果制作了專門的插件，該插件中可以將幾何圖形變化為海浪的形狀，通過分層渲染的方式逐層增加泡沫或者水霧，讓每一個(gè)海浪的效果都達(dá)到最真實(shí)狀態(tài)。電影中老虎在水中游泳的場景難度最大，除了實(shí)拍之外，特效團(tuán)隊(duì)尤其要考慮到老虎和水之間的互動(dòng)，雙方都有著大量的參數(shù)，整體畫面的呈現(xiàn)只有每一個(gè)參數(shù)都是彼此相連才能夠?qū)崿F(xiàn)視覺上的真實(shí)。制作團(tuán)隊(duì)先是繪制出了水面，然后再用CG技術(shù)，制作出一只老虎，模擬老虎在水中的動(dòng)作，增加老虎的骨骼、毛發(fā)等細(xì)節(jié)，然后模擬老虎毛發(fā)淋濕的效果，老虎在水面上的毛發(fā)和水下的毛發(fā)均采用不同的紋理設(shè)計(jì)，將這些層次融合在一起，最終呈現(xiàn)出了老虎在水中游泳的特效。

五、粒子系統(tǒng)制造冰雪場景

粒子系統(tǒng)在冰雪場景中的應(yīng)用較上述兩個(gè)場景起步較晚，在《指環(huán)王·魔戒現(xiàn)身》中，有一幕為翻越雪山，此時(shí)演員身上的落雪均為假雪，背后的大全景則是由CG制造，此時(shí)關(guān)于雪的畫面呈現(xiàn)多應(yīng)用于此類遠(yuǎn)景之中，近距離的雪景表現(xiàn)較少?！逗筇臁分幸灿兄罅康谋╋L(fēng)雪的場景，粒子系統(tǒng)能夠較好地展現(xiàn)出冰天雪地的碰撞效果。

粒子系統(tǒng)在表現(xiàn)冰雪場景領(lǐng)域的飛躍，體現(xiàn)在3D電影《馴龍高手》中，馴龍高手中有著龍和雪地互動(dòng)的鏡頭，龍先是在雪地上劃出了劃痕，這個(gè)劃痕的呈現(xiàn)，已經(jīng)可以達(dá)到和我們在現(xiàn)實(shí)生活中在雪地上產(chǎn)生的劃痕沒有差別的程度。

《冰雪奇緣》故事大多發(fā)生在冰天雪地中，有著大量人和雪景互動(dòng)的場景，此時(shí)各類參數(shù)的調(diào)整比以往任何一部電影都要更加精細(xì)，《冰雪奇緣》也在細(xì)節(jié)上實(shí)現(xiàn)了前無古人。為復(fù)雜的是，《冰雪奇緣》中不僅有著雪景的呈現(xiàn)，也有冰雪魔法，艾爾莎在憤怒時(shí)會(huì)用魔法制造出冰棱，粒子系統(tǒng)此時(shí)不僅需要快速展示出冰凌的特效，也要考量到冰凌帶來的冰屑要有四散的效果。艾爾莎在唱歌時(shí)，粒子系統(tǒng)需要不斷的調(diào)節(jié)光線的參數(shù)，增加光影之間的相互應(yīng)用，讓角色施展魔法的過程更加靈動(dòng)、真實(shí)且立體。數(shù)字化的冰雪粒子在賦予了一定參數(shù)之后，也要配合著音樂以及劇情的節(jié)奏，進(jìn)行形態(tài)的表達(dá)，讓艾爾莎從壓抑到奔放的情感變化展現(xiàn)的更加細(xì)膩動(dòng)人，給觀眾帶來迷人冰雪世界的視覺體驗(yàn)。

六、粒子系統(tǒng)在國產(chǎn)電影中的應(yīng)用

近幾年，我國在電影特效技術(shù)領(lǐng)域獲得了飛速發(fā)展，很多大場面的電影都使用了粒子系統(tǒng)。例如，在《悟空傳》中，很多場景都有云海風(fēng)暴、火焰金箍棒等特效，粒子系統(tǒng)所擅長的煙、云、風(fēng)、火表達(dá)，在中國電影領(lǐng)域也開始大展拳腳[5]?！段蚩諅鳌返奶匦F(tuán)隊(duì)使用粒子系統(tǒng)，活靈活現(xiàn)地演繹出了飛刀的向心力以及旋轉(zhuǎn)力，并在此基礎(chǔ)上加入了龍卷風(fēng)以及塵土顆粒等等。這種畫面呈現(xiàn)的方式，增加了情節(jié)的震撼力，給觀眾留下了深刻印象。

《悟空傳》中孫悟空所使用的金箍棒是由熔巖凝固而成，在孫悟空揮舞金箍棒的過程中，金箍棒或受到外力擠壓，每一個(gè)動(dòng)作都會(huì)崩出碎片以及煙塵粒子，這些粒子的動(dòng)態(tài)路徑都是有粒子系統(tǒng)所打造。這部電影中有78%的鏡頭均為特效鏡頭，由750位特效師時(shí)耗時(shí)一年制作完成，從中國電影的技術(shù)發(fā)展角度看，《悟空傳》毫無疑問是國產(chǎn)電影中并不常見的特效電影，也是國產(chǎn)電影與粒子系統(tǒng)的成功融合案例。

七、結(jié)語

綜上所述，粒子系統(tǒng)最初只是一項(xiàng)理論，后來逐漸發(fā)展為一門技術(shù)，在電影領(lǐng)域中，粒子系統(tǒng)擅長表達(dá)火焰、海浪、冰雪、碰撞、爆炸、煙霧等等，由粒子系統(tǒng)所表達(dá)的特效，在當(dāng)下已經(jīng)實(shí)現(xiàn)分工細(xì)化，很多工作室都有著粒子系統(tǒng)的專長，這也進(jìn)一步推進(jìn)了電影特效技術(shù)的精細(xì)化發(fā)展。雖然技術(shù)并不是電影的全部，但是每一項(xiàng)新技術(shù)的誕生以及發(fā)展，都為電影創(chuàng)作提供了更多的可能，我國從業(yè)人員需要不斷提升自己的專業(yè)能力和素養(yǎng)，發(fā)揮特效技術(shù)的優(yōu)勢，讓國產(chǎn)電影插上技術(shù)的翅膀飛得更高更遠(yuǎn)。