謝函邑

（中國船舶第七一三研究所，河南鄭州，450000）

0 引言

三維動畫現(xiàn)如今已經(jīng)得到各行各業(yè)的廣泛運(yùn)用，從傳統(tǒng)的電影特效、電視片頭、游戲等，到如今的教育教學(xué)、軍事、醫(yī)療、飛行模擬等各個方面。Maya 作為動畫學(xué)界、業(yè)界的必備軟件，集中了最先進(jìn)的動畫及數(shù)字效果技術(shù)，成為電影級別的高端制作軟件代表。作為一個功能很強(qiáng)大的三維動畫軟件，不僅為創(chuàng)作者提供了基本的屬性控制，還提供了高級控制方式—Mel語言（Maya Embedded Language）及表達(dá)式，使創(chuàng)作者可以通過Mel語言及表達(dá)式進(jìn)行Maya的基礎(chǔ)操作，如通過執(zhí)行一段Mel腳本創(chuàng)建一個球體模型，也可以完成更為復(fù)雜的效果，如通過表達(dá)式控制群體動畫中個體之間的運(yùn)動差異，還可以完成一系列基礎(chǔ)操作的快捷批量處理如通過Mel語言編寫骨骼綁定插件。

1 MAYA動力學(xué)中的MEL語言及其表達(dá)式

動力學(xué)是理論力學(xué)的分支學(xué)科，研究作用于物體的力與物體運(yùn)動的關(guān)系。Maya中的動力學(xué)系統(tǒng)在Dynamics模塊中，該系統(tǒng)主要由粒子、流體、剛體、柔體、毛發(fā)、布料等模塊構(gòu)成。在三維動畫制作的流程中，動力學(xué)需要與動畫、燈光、渲染合成等部門緊密的配合（見圖1），綜合運(yùn)用這些模塊才能制作出逼真的動畫效果。粒子作為動力學(xué)特效的最小單位，其顯示、動畫處理、渲染都與常規(guī)的物體有所不同。粒子的出生是通過“發(fā)射”來實現(xiàn)的，所以粒子的動畫制作離不開粒子發(fā)射器的建立。粒子發(fā)射器通常用于創(chuàng)建將在粒子系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)動的粒子。Maya中可以將無數(shù)的粒子組合起來使其形成固定的形態(tài)，再通過控制粒子顏色、數(shù)量、空間分布、運(yùn)動狀態(tài)等屬性模擬現(xiàn)實中的一些自然現(xiàn)象或宏大的場景，如龍卷風(fēng)、下雪、爆炸、煙花、群組動畫等。這些逼真的效果往往需要大量的粒子組成，通過改變粒子在時間與空間上的屬性形成。因此每個粒子都可以被賦予如質(zhì)量、位置、速度、受力、生命周期、顏色、形狀、空間大小等的各種屬性。

圖1 三維動畫制作流程圖

很多常用的三維軟件都提供了內(nèi)嵌腳本語言，可以通過各種算法來實現(xiàn)復(fù)雜的動畫效果。Mel語言，就是Maya的嵌入式語言，是Maya使用最方便和控制最靈活的編程接口。在場景中選擇一個物體或顯示一個對話框就是執(zhí)行Mel命令的直接結(jié)果。表達(dá)式，即使用Mel語句將屬性動畫化的程序。通常通過創(chuàng)建一系列的關(guān)鍵幀，可以將任何屬性在Maya中做動畫。表達(dá)式也可用于將一個屬性做動畫，但不是通過關(guān)鍵幀，而是通過Mel命令定義屬性的值實現(xiàn)。這些Mel命令在每一幀進(jìn)行求值，然后將結(jié)果存儲在表達(dá)式所分配到的屬性中。這種技術(shù)通常稱為過程式動畫，即由程序（Mel命令）而不是由關(guān)鍵幀來控制動畫。表達(dá)式可用于創(chuàng)建復(fù)雜的動畫，而不涉及或很少涉及手動操作。這是一種將屬性動畫化的強(qiáng)大方法。通常情況下，任何屬性都可由語句進(jìn)行控制。簡單來說，Mel與表達(dá)式的區(qū)別就是Mel是一種語言，基于這種語言，可以完成一件事情，而表達(dá)式是使用Mel語句編寫的將屬性動畫化的腳本程序，是根據(jù)時間的變化做一系列事情。因此，Mel語言及表達(dá)式作為一種高級粒子控制方式，對于關(guān)鍵幀很難做到的工作，可以輕松完成，通過編寫程序，可以實現(xiàn)想要的效果。例如通過一個模型在三維空間中形成一個矩陣，傳統(tǒng)的復(fù)制效率低，速度慢。通過粒子形成矩陣，模型替換粒子的方法效率更高，速度更快。而這里所說的粒子替代是以實體模型來替換粒子，適合做大規(guī)模的群體動畫，比如人群、鳥群、魚群等。被粒子替代的物體（即原始物體）稱為源物體，可以替換多種元素來實現(xiàn)不同的效果，它可以是一個單一的物體（有動畫或沒有動畫的都可以），也可以是不同位置和外形的一系列物體，例如一群幾乎相同的鳥在不同的位置拍動翅膀。以下案例就是通過Mel語言及其表達(dá)式控制粒子替代，創(chuàng)造隨機(jī)性，來模擬亂箭齊發(fā)的真實景象。

2 Mel語言及其表達(dá)式控制粒子屬性案例分析

2.1 創(chuàng)建粒子替代

創(chuàng)建一個體積發(fā)射器，在Particles菜單下單擊Create Emitter后的屬性按鈕，設(shè)置發(fā)射器名稱為fx_base_emitter1,發(fā)射器類型為Volume，比率為50,體積發(fā)射器形狀為Cube。將particle1更名為baseParticle1。調(diào)整Cube粒子發(fā)射器的形狀和角度，再將發(fā)射器fx_base_emitter1的遠(yuǎn)離中心調(diào)整為10。沿軸調(diào)整為100,使baseParticle1快速從體積發(fā)射器中向一個方向發(fā)射出去。

接下來進(jìn)行粒子實例替代，選擇要作為源物體的arrow再加選baseParticle1,在Particles菜單下選擇Instancer(Replacement)命令，使用默認(rèn)值即可。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，替代物體arrow的尖頭處始終是指向×軸正方向的，那么現(xiàn)在就來調(diào)整一下它的尖頭處的指向。將替代物體arrow的X軸指向粒子的運(yùn)動方向。選擇baseParticle1打開它的屬性編輯性，為每粒子屬性添加一個directionPP屬性。為directionPP屬性寫入表達(dá)式，directionPP=＜＜1,0,0＞＞ ；因為只需要用替代物體 arrow 的×軸做為指向軸，所以Y軸和Z軸不做操作，值設(shè)置成0即可。打開baseParticle1的Instancer(Gemerty Replacement)卷展欄，設(shè)置實例節(jié)點為instancer1,AimDirection（指向方向）為粒子的速度方向velocity,指向軸為directionPP,意思是用替代物體arrow的Y軸指向粒子的速度方向。（見圖2）

圖2 修改粒子替代

2.2 Mel語言及其表達(dá)式創(chuàng)建粒子隨機(jī)性

首先是箭打到墻上（物體上）掉落的隨機(jī)性。創(chuàng)建一個平面,調(diào)整形狀放到適當(dāng)位置做為墻面，重命名為wall（見圖3）。選擇baseParticle1和wall,執(zhí)行Make Collide命令，設(shè)置Resilience為0,Friction為1。發(fā)生碰撞后，箭成整齊的水平方向。這時就需要創(chuàng)建粒子碰撞事件，選擇粒子baseParticle1,執(zhí)行粒子碰撞事件編輯器命令，在這里什么設(shè)置也不做，只是要一個什么也沒發(fā)生的碰撞事件，以碰撞事件為條件判斷什么時候箭落下來，什么時候亂箭釘上去。

圖3 創(chuàng)建一個Poly的Plane

選擇baseParticle1再加選wall,單擊Particles菜單下的Goal命令，由于粒子（箭）在碰撞前的飛行過程中是不用Goal到wall上的，所以在這里我們需要使用一個if-else語句來判斷goal值，先在Creation下為goalPP創(chuàng)建一個初始值baseParticleShape1.goalPP=0（意思是一開始不受墻壁的吸引）；在Runtime before dynamics 下寫入：

意思是當(dāng)碰撞還沒產(chǎn)生時（即baseParticle-Shapel.event==0）粒子的goalPP為0,否則當(dāng)碰撞產(chǎn)生時粒子的goalPP為1。接下來，為其添加新的屬性，選擇baseParticle1添 加 goalU、goalV、collisionU、collisionV四 個 屬性到每粒子屬性中。為goalU、goalV添加表達(dá)式，用collisionU、collisionV碰撞一瞬間的UV坐標(biāo)來指定粒子的goalU、goalV，在Runtime before dynamics 下寫入：

baseParticleShapel.goalU = baseParticleShapel.collisionU;

baseParticleShapel.goalV = basePar-ticleShapel.collisionV;

這樣粒子（箭）就得到它的goalU和goalV值，baseParticleShapel.goalU = baseParticleShapel.collisionU； 和 baseParticleShapel.goalV =baseParticleShape1.collisionV；應(yīng)該寫在碰撞之后的語句中，在碰撞產(chǎn)生時執(zhí)行。

其次，解決箭打到墻的角度的隨機(jī)性。為baseParticle1添加自定義的每粒子屬性aimD,用它作為一個粒子速度/速度方向的變量。為AimD寫入表達(dá)式，將粒子還沒有產(chǎn)生碰撞時的速度/速度方向傳遞給Aim D,在Runtime before dynamics下寫入表達(dá)式（見圖4）將baseParticleShape1.aimD= baseParticleShape1.velocity；寫入沒有產(chǎn)生碰撞時的語句中，也就是在沒有碰撞之前目標(biāo)方向為粒子的速度方向，再將AimDirection重新設(shè)置成aimD。

圖4 添加表達(dá)式

現(xiàn)在亂箭釘?shù)綁ι虾螅€在繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，這是因為沒有指定旋轉(zhuǎn)是在碰撞前還是在碰撞后，那么將語句最上方的自定義箭旋轉(zhuǎn)的表達(dá)式放入到還沒有碰撞時的語句中，讓它在沒有產(chǎn)生碰撞時執(zhí)行（見圖5）

圖5 改變表達(dá)式位置

最后需要讓某些箭打到墻上后掉落下去，未必非要指定必須哪個箭掉落，隨機(jī)便可，使用隨機(jī)還可以控制掉落的多少。為baseParticle1添加自定義的float型的每粒子屬性falIPP。為fallPP創(chuàng)建表達(dá)式，在Creation下寫入：base ParticleShapel.fallPP=rand(0，1);之后會用這個隨機(jī)值做為一個判斷下落的條件。在Runtime before dynamics下寫入表達(dá)式（見圖6）。這里的意思是， 如果產(chǎn)生碰撞并且fallPP的隨機(jī)時大于0.1時，箭會釘在墻上，執(zhí)行之前的操作。否則替代物體箭的速度方向仍然是粒子的速度方向，再由于重力作用下落。再調(diào)整碰撞參數(shù),Resilience為0.3,Friction為0。將Friction設(shè)置為0可以讓亂箭有一種碰撞時抖動的沖力感覺，而調(diào)整Resilience是為了使箭彈得更遠(yuǎn)一些，也是為了表達(dá)箭的沖力。

圖6 添加表達(dá)式

3 結(jié)語

對基于動力學(xué)和粒子系統(tǒng)模擬自然景象進(jìn)行了研究，總結(jié)出最大實現(xiàn)粒子的可控制性，既不是單純靠粒子發(fā)射器發(fā)射粒子，也不單純用場來干擾粒子，而是粒子系統(tǒng)與Mel表達(dá)式結(jié)合。通過Maya中的粒子系統(tǒng)和MEL表達(dá)式來模擬自然景象，不僅可以自主編程形成小插件直接利用，還可以后續(xù)升級迭代，更可以在多個客戶端多人同時進(jìn)行角色或場景的設(shè)計。MEL語言高效的通信和協(xié)同設(shè)計能顯著縮短動畫作品的開發(fā)周期，降低成本，增強(qiáng)動畫作品的個性化、開發(fā)的互動性及共創(chuàng)性。