论“粒子系统”在电影特效中的应用——以火焰、海浪、冰雪为例

桂学哲

（长春光华学院 电影学院，吉林 长春 130000）

一、前言

粒子系统被广泛的应用于电脑特效领域中，作为一种常见的三维动画技术，其在画面展示层面的优势是很多技术都无法替代的。粒子系统的应用原理在于将无规则形状的物质先拆分开，用粒子团重新组成物质整体，粒子团中的每一个粒子都是独立存在的，而且有着自己的颜色、形状、属性，在动态变化的过程中，粒子也会改变自己的形态，从而符合正各物质的外部动态情况[1]。这种动态变化的系统非常适合展示物体的运动轨迹，所以粒子系统也经常性的用于模拟火焰、风雪、海浪、烟雾等，经过粒子系统特效处理的画面，不仅变化多端，而且震撼力极强。

二、粒子系统原理及应用

粒子系统的概念最早源于1983年，其最初的思想是将很多简单形状的微小颗粒作为基本元素，拼接成不规则的模糊物体，构建一个以单个颗粒为单位的封闭系统。在粒子系统概念诞生之后，很多专家也在不断延伸着相关研究，探索着粒子系统的更多可能，随着时间的不断发展，粒子系统产生了更加细致的分类，例如有专门针对火焰爆炸的粒子系统，也有对河流、瀑布等动态场景进行模拟的单独系统，在应用粒子系统进行物体形态表达的过程中。

第一，需要分析物体的整体静态特征，为每一个粒子定义好最初的属性。第二，要了解物体的运动规律，为粒子的运动过程设定下个性化的时间函数。第三，为粒子赋予初始的属性，将其纳入到整个系统中。第四，根据粒子的动态属性移动，改变粒子的路径。第五，删除已经结束动作路径的粒子。第六，绘制并显示所有正在活跃的粒子组成的图形。

任何一个动态物体的呈现都是粒子系统的循环操作，经由不规则的动态变化，最终形成画面，粒子系统不仅可以被应用于电影特效领域，其在军事领域和游戏领域也是重要的技术。在军事模拟中，技术人员会通过粒子系统展现战场的实际环境，模拟爆炸时产生的碎片以及狂风中的实力，由粒子系统所构建的战场逼真效果是优于传统的部队战术和单兵协同训练的[2]。游戏领域对于粒子系统的应用可以增强游戏的实时互动性，提高游戏者的切身体验。

三、粒子系统在火焰特效中的应用

从日常生活的经验上看，火焰的动态形象像是由无数个出现又消失、消失又出现的例子团构成。在没有应用粒子系统表现火焰时，往往会采用实拍方法，在应用了粒子系统之后，很多电影都运用其表现场景，例如《哈利波特》《指环王》《神奇四侠》等等，今年来也有很多以火焰特效著称的电影，例如《灵魂战车》中有着大量的火焰特效应用。

从安全的角度上看，粒子系统对火焰的模拟可以降低拍摄的成本，同时控制好画面的呈现，以往拍摄火烧场景时都会使用柴油或者是火油，不仅在燃烧之后会产生大量的浓烟，拍出来的画面也不够清晰，影响了艺术美感，此类拍摄往往需要重复多次，危险系数较高[3]。粒子系统的应用基本上可以做到超越现实，将各种魔幻和奇幻的效果立体化的展现出来，而且非常安全。

在《指环王》系列电影中，为了塑造周身燃油火焰的角色，技术人员对火焰外焰的变化参数进行了精准的掌控，每一小段外焰都在跟随着环境的变化而不规则的运动。当电影涉及到火焰喷射效果时，也可以以使用粒子系统进行呈现，很多模拟火箭尾焰、飞机烟雾的画面都是由粒子系统所呈现的。具体方法为：运用三维模型建立发射点，对喷射的火焰进行分型旋动，再对不同的发射点层层重叠，从而让喷射出来的气流或者火焰自然的四散开来，带来逼真的视觉效果。

四、粒子系统制造的海洋效果

粒子系统的优势也在于可以逼真的模拟海浪以及浪花，水的质感模拟难度较大，而且需要关注到更多周边环境的关系互动。在《泰坦尼克号》这部电影中，曾经让技术人员很苦恼的问题在于如何让计算机制作出的海洋更加真实，如果没有考虑到环境、空间、时间和季节的特征，则会使海水呈现出一种单一的塑料感，技术人员需要不断对风光影和地理位置进行参数分析，起到以假乱真的效果[4]。最终，《泰坦尼克号》的划时代问世，向电影从业者正式宣告，计算机技术已经可以构建出符合电影拍摄需求的虚拟水世界。

在电影《后天》中，有大量的洪水场景，影片中要表现出纽约被洪水淹没的场景，如果仅凭模拟海洋和调色这两种基本的CG技术，是无法满足电影的场景要求的。此时，制作团队采用了分层制作的方法，先用计算机模拟洪水进入纽约后的流向，然后再由特效人员制作出冲击感十足的浪花，配合雷电效果进行效果的复合。然而受限于技术，演员在雨水互动时细节表现力仍然是不够的，所以电影中有大量场景都是水花直接吞没人群，以弥补技术细节上的漏洞。在演员和水互动的近距离画面中，导演采用棚内实拍的方法，现场拍摄和CG技术之间的互相切换，在一定程度上降低了电影的真实感。

到了2014年的《星际穿越》，其中有一幕为主角在接近黑洞之前遇到了一个海浪高达数千米的星球，在这样的巨浪下，原有的水参数已经无法发挥作用，此时制作团队增加了手工动画的方式，绘制了大量气泡，波浪以及水花，通过内部软件先模拟效果，最终呈现出《星际穿越》中逼真的视觉体现，这也是传统技术和CG技术的完美结合。

《少年派的奇幻漂流》中对于水环境的塑造，较《后天》来说更加细致。电影中有70%的画面都是海洋环境，所以进行实拍基本是不可能的，模拟出真实的海洋画面是电影拍摄之前需要解决的重大问题。在技术处理上，《少年派的奇幻漂流》中很多海洋画面都是根据实拍的素材进行数字化处理，在收集完数据之后统一调整。导演李安带领特效团队仔细研究了水流、波浪形状以及海浪频率的特征，也特意为电影中的海浪效果制作了专门的插件，该插件中可以将几何图形变化为海浪的形状，通过分层渲染的方式逐层增加泡沫或者水雾，让每一个海浪的效果都达到最真实状态。电影中老虎在水中游泳的场景难度最大，除了实拍之外，特效团队尤其要考虑到老虎和水之间的互动，双方都有着大量的参数，整体画面的呈现只有每一个参数都是彼此相连才能够实现视觉上的真实。制作团队先是绘制出了水面，然后再用CG技术，制作出一只老虎，模拟老虎在水中的动作，增加老虎的骨骼、毛发等细节，然后模拟老虎毛发淋湿的效果，老虎在水面上的毛发和水下的毛发均采用不同的纹理设计，将这些层次融合在一起，最终呈现出了老虎在水中游泳的特效。

五、粒子系统制造冰雪场景

粒子系统在冰雪场景中的应用较上述两个场景起步较晚，在《指环王·魔戒现身》中，有一幕为翻越雪山，此时演员身上的落雪均为假雪，背后的大全景则是由CG制造，此时关于雪的画面呈现多应用于此类远景之中，近距离的雪景表现较少。《后天》中也有着大量的暴风雪的场景，粒子系统能够较好地展现出冰天雪地的碰撞效果。

粒子系统在表现冰雪场景领域的飞跃，体现在3D电影《驯龙高手》中，驯龙高手中有着龙和雪地互动的镜头，龙先是在雪地上划出了划痕，这个划痕的呈现，已经可以达到和我们在现实生活中在雪地上产生的划痕没有差别的程度。

《冰雪奇缘》故事大多发生在冰天雪地中，有着大量人和雪景互动的场景，此时各类参数的调整比以往任何一部电影都要更加精细，《冰雪奇缘》也在细节上实现了前无古人。为复杂的是，《冰雪奇缘》中不仅有着雪景的呈现，也有冰雪魔法，艾尔莎在愤怒时会用魔法制造出冰棱，粒子系统此时不仅需要快速展示出冰凌的特效，也要考量到冰凌带来的冰屑要有四散的效果。艾尔莎在唱歌时，粒子系统需要不断的调节光线的参数，增加光影之间的相互应用，让角色施展魔法的过程更加灵动、真实且立体。数字化的冰雪粒子在赋予了一定参数之后，也要配合着音乐以及剧情的节奏，进行形态的表达，让艾尔莎从压抑到奔放的情感变化展现的更加细腻动人，给观众带来迷人冰雪世界的视觉体验。

六、粒子系统在国产电影中的应用

近几年，我国在电影特效技术领域获得了飞速发展，很多大场面的电影都使用了粒子系统。例如，在《悟空传》中，很多场景都有云海风暴、火焰金箍棒等特效，粒子系统所擅长的烟、云、风、火表达，在中国电影领域也开始大展拳脚[5]。《悟空传》的特效团队使用粒子系统，活灵活现地演绎出了飞刀的向心力以及旋转力，并在此基础上加入了龙卷风以及尘土颗粒等等。这种画面呈现的方式，增加了情节的震撼力，给观众留下了深刻印象。

《悟空传》中孙悟空所使用的金箍棒是由熔岩凝固而成，在孙悟空挥舞金箍棒的过程中，金箍棒或受到外力挤压，每一个动作都会崩出碎片以及烟尘粒子，这些粒子的动态路径都是有粒子系统所打造。这部电影中有78%的镜头均为特效镜头，由750位特效师时耗时一年制作完成，从中国电影的技术发展角度看，《悟空传》毫无疑问是国产电影中并不常见的特效电影，也是国产电影与粒子系统的成功融合案例。

七、结语

综上所述，粒子系统最初只是一项理论，后来逐渐发展为一门技术，在电影领域中，粒子系统擅长表达火焰、海浪、冰雪、碰撞、爆炸、烟雾等等，由粒子系统所表达的特效，在当下已经实现分工细化，很多工作室都有着粒子系统的专长，这也进一步推进了电影特效技术的精细化发展。虽然技术并不是电影的全部，但是每一项新技术的诞生以及发展，都为电影创作提供了更多的可能，我国从业人员需要不断提升自己的专业能力和素养，发挥特效技术的优势，让国产电影插上技术的翅膀飞得更高更远。