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细说CFD仿真与好莱坞电影的不懈情缘

1月前浏览1489

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cel animation,要么就电脑生成帧computer-generated frames,或者给实体物件披上一层像液体一样的"皮肤"covering liquid-like skins


1、从《Antz》到《The Day After Tomorrow》


     

   

《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《The Day After Tomorrow》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Eugenie von Tenzelmann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Tim Webber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4 Hudson Square,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Merida in Brave》里梅里达那一头卷毛的逼真效果,到《哈利波特与火焰杯Harry Potter and the Goblet of Fire》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
汽车建筑UG海洋理论科普控制
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首次发布时间:2024-09-08
最近编辑:1月前
CFD饭圈
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