基于MEL语言的粒子飘落动画研究

1、基于MEL语言的粒子飘落动画研究摘 要：面对日益求精的动画形式与标准，有必要对于Maya粒子飘落动画作进一步的研究与开发。由于现有技术并不满足高品质的动画需求，论文工作首先将飘落物体分为四大类。大瓣植物类：如荷花，白玉兰、牡丹等;小瓣植物类：如梅花、樱花、桃花、蔷薇等;薄片状植物类：如竹叶、柳叶、枫叶等;绒毛状物体类：如羽毛、柳絮等;每类飘落物选取一项典型物体进行细化分析。通过Maya软件再编辑，运用MEL语言来实现粒子动画，根据物理原理这些物体的主要受是重力、风力、扰乱等影响。四大类物体飘落符合相同的力学原理，但根据其各自的几何及物理特性，却各有不同的飘落状态。研究采用粒子系统，用飘落物体作

2、为发射粒子，研究不同类型物体在飘落过程中在力的影响下如何产生相应的飘落曲线。主要对不同类型物体的飘落动画效果做细致研究、通过理论、实践和总结，找到一套适合不同目标模型的飘落动画实现方法，并通过MEL语言脚本编辑实现插件。关键词：Maya;MEL语言;重力场;插件设计;粒子替代;扰乱场引言现如今我们经常看到的品质一流的影片，都使用三维软件作为其主要制作工具，而众多制作公司选用Maya的原因就是它的开放性非常好，所谓开放性就是利用Maya的编程工具进行程序设计，以拓展其功能，而在这一领域国内涉及甚少。如果想在Maya技术上有所突破，真正达到或是近似好莱坞大片的效果，那必须运用Maya的程序拓展功能

3、来实现【1】。为了达到高质量的粒子飘落动画特效，首先要开发并完善软件本身的不足之处。从相关艺术角度与实际物理世界的理论依据出发，从不同的物体物质形态与飘落受力来分析和讨论，研究出视觉艺术性和科学技术应用性的插件方案，开发MEL语言插件来实现这个动画特效插件。1 粒子飘落动画技术改进简介1.1 粒子动画制作现有问题及Maya技术的优势After Effects制作飘落动画方式也是依靠粒子发射的原理来完成【2】， 如本课题所需研究的真实粒子飘落动画，After Effects等特效软件制作流程虽快捷，却只能使用二维贴图的方式来解决粒子的替代。仅仅停留在伪三维的视觉状态，花瓣都是纸片状，没办法满足三

4、维空间中的视觉感官，需要结合Maya来完成。在这样的大环境下，诸如Maya这样强大的计算机三维软件就提供了良好的操作性和编辑性，有研究探索的价值。1.2 Maya动画模拟流程分析虽然Maya软件可以自动完成许多效果，但是对于效果的细节分析和真实分析是非常必要的，大致研究流程如下：（1）首先将粒子飘落以传统的方式绘制制作，分析飘落的视觉美感以及特征，此时只是平面的模拟，并不能解决三维空间的构架。（2）效果获悉物体的飘落是不规则的，是受自然界物理原理力场所控制的，Maya粒子特征属性可以代替飘落物体的运动规律。（3）Maya等三维动画中，由力场来控制动画对象，在自然界中动力场可模拟真实物体的动力运

5、动，所以力场成为飘落动画的主要依据。将动力场与不同的粒子替代物有机结合，不同的形状、重量、质量等，通过各种力场原理在完成特效。（4）设置合适的粒子属性，可以自然模拟飘落，不需要传统的画面变化来表现;（5）了解Maya所涉及的模拟方式，在插件中进行实现，并赋予参数。2 MEL语言实现粒子飘落动画模拟2.1不同替代物分析根据所划分的四大类飘落物体，针对每类飘落物选取一项典型物体进行细化分析。大瓣植物选取荷花;小瓣植物选取梅花;薄片状植物选取竹叶;绒毛状物体选取羽毛。对四大典型物质进行分析。为了更真实的研究物理原理，对以上所有类型的飘落物体都进行了实际试验测试，物理质量都有数据作为参考。荷花类大瓣植

6、物，按6cm长实际重量7片共计5克为基准，推导重约0.71-2. 08克。梅花类小瓣植物，按实际称量22-23片共计8.2克为基准，重约0.35-0.37克。竹叶类薄片状植物，按实际测量18-19片共计8.8克为基准，重约0.46-0.48 克。羽毛类絮状物体，按实际测量100片共计5.2克为基准重约0.05-0.06克左右。2.2 改良后的物体飘落动画2.2.1插件界面与窗口设计实现界面设计上也相对追求艺术性与技术性功能的结合，相对来说视觉感官效果比较突显，同时可增加一定的趣味性来缓解单调的界面感，遵从人机交互的理念【3】。飘落动画插件界面，由四大模块组成，在界面上以图形效果来表示窗口选项模

7、块。点选不同的物体，窗口下列的参数也各不相同，根据选项自动跳转【4】，如图1所示。图1 物体模块2.2.2 Particle Setup模块实现此界面主要控制粒子发射的形式，状态，包括受力情况等。Select Objects to Emit表示选择发射粒子物体（在安装包中选择已经建模并贴好材质的Maya模型）。Emitter type表示粒子发射类型，包括Directional方向发射（可以指明发射方向和分散角度）、Omni点、Surface表面、Curve曲线、Volume体积发射（在指定体积内发射粒子）。Rate表示速率（指每帧发射量）。Speed表示粒子的速度。Random表示粒子的随机

8、值。Lifespan表示生命值。Decay表示衰减值。Fields表示粒子所受的力场，包括Air表示粒子受空气力场的作用、Gravity表示粒子受重力场的作用、Turbulence表示粒子受扰乱场的作用。界面设计如图2所示。图2 物体模块2.2.3 Instance Setup替代模块实现此界面主要控制粒子替代物的属性，包括旋转速度，缩放大小等。Select Objects表示选择替代物。Per Particle（Array）表示每个替代物的属性，包括Rotate Speed表示旋转速度、Scale 表示缩放大小。界面设计如图3所示。图3 替代模块2.2.4 Color Control模块实现

9、此界面主要针对粒子替代物的颜色控制。Default Color 表示默认颜色。Color Gain表示颜色増溢值。Alpha Gain 表示Alpha通道増溢值。界面设计如图4所示。图4 色彩控制模块2.3 不同替代物飘落状态分析假设飘落物中心对称，那么具体路径的区别和花瓣质量还有花瓣具体形状和大小有关，在以下的研究中，用平均截面积代替实际面积S。假设风以水平速度u向右运动。以分析飘落轨迹为目的，如式（1）所示，θ为花瓣下落的倾斜角（轨迹切线与x轴的夹角），如式（2）所示。式（1）式（2）由此推导：P越大，花瓣下落的倾斜角越大，即轨迹越垂直，反之，P越小，轨迹越平坦。根据实际情况，

10、G值从小到大排序，依次是羽毛、梅花、竹叶、荷花;f值从小到大的排序，依次是竹叶、梅花、羽毛、荷花。由四种花瓣的m和，得到飘落大致轨迹图如图5所示。此时研究关注花瓣的质量和平均大小，并没考虑形状。物理世界飘落花物体非中心对称，其在空中转动时，迎风面矢量与风速平行时，所受到的风力就越大，垂直时就越小，所以有必要把花瓣的具体形状加入到讨论中来。假设飘落物体在下落初始拥有相同的旋转速度，由于水平恒风的作用，故旋转速度不变，迎风面会呈现周期变化，导致加速度随着飘落物转动成不规则变化，类似一种波动。波动程度可从锯齿的幅度来判别（中心平衡位置到最大波幅的距离）。其中，质量m和迎风面面积S为主要的因素。在环境

11、（风）相同的情况下，质量m越大，锯齿小，迎风面面积S越大，锯齿大。定义参数，如式（3）所示。式（3）其中，Smax为花瓣最大的截面积，Smin为最小截面积。Q越大则波动越厉害，反之则不太波动，当p为0时呈现规则运动。对应于四种花瓣，Smax-Smin值从小到大依次排序为梅花、荷花、竹叶、羽毛;m值从小到大排序，依次是羽毛、梅花、竹叶、荷花;由此推导出羽毛的摆幅最大，其次是竹叶，接着是梅花，荷花摆幅最小。在这些摆动过程中，它们摆动的频率是一样的。大致情况如图5、图6所示。3 粒子飘落动画模拟检测3.1 粒子飘落动画的测试及应用Maya中可用/符号表示代码说明，过程中不会影响正常代码的运行在脚本代

12、码设计中含有对于流程的注释，方面操作【5】。/ Description：描述/ 1.Create a Plane and click Select Objects to Emit button first.Then change the value below whatever you want.首先创建一个平面，点击Select Objects To Emit粒子发射按钮。然后根据所需要效果调整下列面板的参数。/ 2.Select instance objects，hit select objects button and apply button.选择粒子替代模型，然后点击select o

13、bjects选择替代物。/ 3.Give a file node to the color attribute of the instance object and then use the color control menu to do the change.给予粒子替代模型的颜色属性上添加一个File节点（导入外部数据节点），用颜色控制编板来调整相应效果。3.2 不同模块测试3.2.1模块测试流程首先在菜单中选择Create-Polygon，Primitives-Plane来创建多边形模型平面。调整Scale与Position的参数，设置Plane合适的位置。选择替代模型，点击Custo

14、m标签下的插件图标，进入插件界面，点击选择物体，相关动力学参数已自动生成。在插件设计中，对于四种飘落物体有四种不同的设置参数，并且力求物体模型的仿真性强，不同飘落物测试结果与视觉形态也各自不同，在选择物体时，也可能超出所设定的范围，此时用户可根据物体模型的实际状态选择合适的模块。通过File-Import导入替代模型。选择Plane平面，点击Select Objects To Emit使得平面作为粒子发射源，设置合适的参数。选择相关模型，点击Select Object，设置合适的参数，然后点击Apply应用。测试环节中，点击替代物模型、发射平面，运用快捷键Ctrl+H将其隐藏，可更清晰的预览测

15、试效果【6】。3.2.2各项测试结果不同目标模型的飘落动画实现方法，能够在插件中得以实现。如图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14所示。4 结语本文对粒子动画的现状做进行罗列，根据传统动画的效果以及制作流程进行模拟，分析传统方式的优点及缺点。对于Maya软件的制作流程进行模拟，并对研发内容进行总体思路设计。根据真实物理世界的原理依据进行主要分析，研究飘落过程中所涉及因素对粒子飘落的影响，并且研究大瓣植物类，小瓣植物类，薄片状植物类，绒毛状物体类，这些不同物质在同一环境中的受力影响。根据不同的物体特质研究受力分析，建立不同类别粒子飘落的物理仿真计算模型，以这些物理世界原理作为解

16、析与实现插件的总依据。针对四类飘落物，分别研究了影响飘落的相关风力、重力、扰乱等属性因素，根据物理原理推导插件，及上述相关因素的参数。并研发一套适合不同目标模型的飘落动画实现方法。结合人机工程学、艺术美学等标准进行插件界面的设计，运用MEL语言再编辑，实现飘落动画模拟的系统插件设计。通过插件测试来优化插件性能，根据物理原理与视觉艺术效果调节参数。安装包中提供飘落物体的模型、完整的测试方法等，通过插件在不同类型飘落物：大瓣植物类，小瓣植物类，薄片状植物类，绒毛状物体等类型中验证了论文所提出的计算模型和插件的有效性。参考文献：【1】 雍俊海，计算机动画算法与编程基础，北京，清华大学出版社，2008.07.【2】 毕盈，After Effects高级影视特效，北京，人民邮电出版社，2012.04.01.【3】夏敏燕，产品界面的人性化设计，上海电机学院学报，2006年（05）：21-23.【4】 Julie A. Jacko，Human-Computer Interaction：Users and Applications，Springer-Verlag Berlin and Heidelberg GmbH & Co