细说CFD仿真与好莱坞电影的不懈情缘
在银幕上，不论是水瀑从天降的震撼场面，还是汽车起火后的烟雾缭绕，物理定律始终在线，不服不行！1）想当年，50、60年代的流体模拟，那可都是数学家的天下，计算机图形学（CG）那会儿还没影儿呢。2）到了90年代初，像《水世界Waterworld》和《泰坦尼克号Titanic》这样的大片里，CG技术也就只能在海面上露个脸，想搞点大动作，那可真是心有余而力不足。3）但看看现在，有了真刀真枪的流体物理模拟，那些以前想都不敢想的特效，分分钟就能搞定，多亏了各种流体模拟平台的加持，这波操作，简直6到飞起！商业级别的流体流动模拟，这货可是个新鲜出炉的技术。想当年，90年代末之前，咱们的流体效果那可都是靠电脑一帧一帧画出来的。那时候，要么是用赛璐珞动画celanimation，要么就电脑生成帧computer-generatedframes，或者给实体物件披上一层像液体一样的"皮肤"coveringliquid-likeskins。1、从《Antz》到《TheDayAfterTomorrow》《蚁哥正传Antz》这电影，那可是头一遭用上流体模拟的，但视效团队后来发现，这玩意儿太耗时，简直复杂到爆。到了1999年，Stam大神搞出了一种基于基础流体方程的技术，让模拟真实流体流动变得可行。这技术后来就被各种动画软件给收了。不过，它有个小毛病，就是只能模拟水，别的流体就不行了，而且控制起来也不容易，想搞点超现实的特效，还得让观众信服，这可不容易。但最近几年，技术升级了，通过在方程里加些隐形的吸泵和旋涡，控制流体流动就变得可能了，像《TheDayAfterTomorrow》里纽约市的洪水场景，就是用这技术搞出来的。虽然现在视觉效果界，流体模拟越来越火，但大多数艺术家对这背后的原理还是一头雾水。他们就是调参数，调到看着顺眼为止。以前电影里的流体模拟，主要关注的是表面效果，比如那种半平的海洋。但现在，大家的焦点转向了流体的体积，比如水怎么快速冲过刚体，展示出水的高度。所有这些流体模拟，都得靠纳维-斯托克斯方程，这货能描述流体的行为，基于一些关键假设，输出的是个速度场，不是简单的数字。从专业的角度，建议了解以下基础知识以更好地掌握流体动力学：1）质量、能量/动量和体积守恒2）连接加速（流体加速度由周围空间控制）3）控制流体的关键力-粘度和重力4）边界条件（了解流体的临近边缘很重要，可能是一堵墙或另一种流体）2、《Gravity》的高光时刻在视觉效果这个圈子里，拿奖拿到手软的设计师们，有的手握科学和技术学位，有的则是自学成才。关键的是什么？得对那些基础原理有个基本的get√，经验多了，你的知识库自然就丰富起来了。不过，Framestone的VFX设计师EugenievonTenzelmann可不这么看，她说过：“模拟流体流动这事儿，你得懂点热力学。”这话没毛病！说到《地心引力Gravity》这电影，物理学家出身的VFX首席创意官TimWebber和他的团队，那可是硬核编写了一个模拟微重力环境下会发生什么的程序。这项目，绝对是他职业生涯的高光时刻，亮瞎眼的那种。要在现实主义、计算力、人类智慧和时间限制这几个因素之间找到平衡点，这可决定了咱们得挑哪种流体模拟技术来用。虽然流体动画和CFD背后都是同一个原理撑腰，但咱们的流体模拟主要是拿来搞视觉效果的，科学研究那块儿，咱们就先放一放。说白了，咱们这行就是要让流体看起来美美的，至于它背后的科学原理，咱们懂个大概，够用就行。毕竟，咱们的目标是让观众看了觉得“哇塞”，而不是让他们去写篇论文出来。咱们这技术，得是既实用又高效，还得让观众看了心服口服，这才是王道。为了在可用时间框架内取得卓越的流体动画效果，开发了关键方法，这些方法经过了多年的流体模拟研究，如下所示：1）光滑粒子流体动力学（SPH）2）体积网格方法3）标记和单元方法（MAC）4）单元中的粒子法（PIC）5）FLIP法3、不能不提好莱坞的迪士尼咱们刚聊完了电影里头那些酷炫的流体模拟，还有它们在视觉效果上的贡献，再瞅瞅迪士尼怎么用CFD技术搞他们的新办公楼，这事儿挺有意思的。迪士尼的大本营，哈德逊广场4号4HudsonSquare，以前可是纽约的印刷圣地。迪士尼这次可是下了血本，要用最新的CFD技术，打造一个符合LEED标准的绿色建筑。Wintech顾问团队正忙活着，要用这技术达到国家环境空气质量标准（NAAQS），让新建筑对门口的风啊、热啊影响降到最低。这建筑一搞起来，迪士尼就是想给大家秀一把，啥叫行业标杆，怎么服务公司、员工还有整个城市。再说说电影里头，从《勇敢传说MeridainBrave》里梅里达那一头卷毛的逼真效果，到《哈利波特与火焰杯HarryPotterandtheGobletofFire》里龙喷出来的火，流体模拟这技术，真是让视觉效果的边界拓宽了不少。现在，咱们算是正式迈入了电影流体模拟的新时代。这技术不光是电影里头用得欢，各行各业在设计上遇到难题，都指望着流体模拟来找最佳方案呢。展望未来，流体模拟肯定是越来越聪明，用最少的人力，达到最精准的效果，咱们离实现这目标，那可是咫尺天涯了。来源：CFD饭圈
