摘要：粒子系统可模拟许多现场难以拍摄或实际拍摄成本很高的三维影视特效。在分析三维影视特效制作需求和粒子系统开发流程的基础上，运用Unity3D引擎的粒子系统模拟出扔的爆炸效果和动态雨雪场景，并对此进行了阐述。 关键词：Unity3D平台；粒子系统；三维影视特效；爆炸；动态雨雪
0 引言
三维影视特效科幻类、武侠类、动画类等电视剧和数字电影中的应用越来越多，已逐渐发展成为现代影视作品视觉效果好坏的重要指标之一，如《变形金刚3》、《黑衣人3》、《后天》等影视作品的制作大量采用粒子系统模拟实现爆炸场景、大楼倒塌、焰火等三维影视特效场景。首先，三维影视特效通过与主体实拍场景的结合，不仅可充分发挥影视制作者的艺术灵感，而且可节约复杂特效的拍摄成本。其次，许多特效镜头在现实场景中的拍摄很困难或者现实生活中根本就不存在这样的真实场景。例如，人体细胞的分裂过程、树木花卉的四季生长变化过程等很难在同一时空内完成拍摄；巨浪冲击城市、火山爆发、大楼爆炸、烟雾等影视特效的拍摄不仅需要高昂的代价，而且可能会给剧组拍摄人员带来各种难以预测的安全风险。粒子是在三维空间内渲染的二维图像，粒子系统通过一个或两个纹理并多次重复的图形绘制即可创建一个三维影视特效。为此，采用粒子系统模拟各种
ttl现场拍摄无法完成或根本不存在的特效镜头成为当前影视产品开发的关键技术之一。
Unity3D是一款支持Windows、Mac OS桌面操作系统平台和Android、iOS等移动操作系统平台的三维游戏引擎，包含图形、音频、物理、网络、粒子等功能组件，采用C#和JavaScript作为脚本开发语言，支持大多数三维模型文件格式，提供了柔和阴影与烘焙等光影渲染系统和强大的可视化编辑器。它不仅适用于大型虚拟场景的模拟和3D网络游戏的开发，而且其功能丰富的例子系统可模拟烟雾、云雾、火焰、体积云、闪电、爆炸等数字三维影视特效。
1 粒子系统
粒子系统是Reeves于1983年提出的一种模拟不规则模糊物体对象或自然场景的方法，这些不规则的模糊物体具有不同程度的动态性和随机性，能够很好地模拟烟雾、海浪、水流、火焰、雨雪、云雾、爆炸、森林等自然场景。粒子系统中的每个粒子都具有形状、大小、颜、透明度、运动速度、运动方向、生命周期等属性，而且这些粒子随时间的推移不断变化，在时间和空间上具有动态分布特性，从而模拟各种现场拍摄难以实现的具有复杂运动规律的动态影视特效。
粒子系统所模拟的物体或场景复杂多变、形态各异，根据粒子形态的不同，可将粒子系统分为流体粒子、烟雾粒子、破碎粒子等。流体粒子主要用来模拟流水、海浪、火焰、流动的岩浆等特效；烟雾粒子主要用来模拟随时间发展不断繁殖生长、消亡的动态粒子特效，如燃烧或爆炸过程中产生的烟雾、
和岳姆干的翻天覆地沙尘暴、龙卷风、云雾等；破碎粒子
主要用来模拟物体碎裂、爆炸时的效果，一般伴有物体爆炸碎片的产生。
如图1所示，利用粒子系统实现三维影视特效的基本步骤包括以下几个：
（1）确定模拟对象的粒子模型。在利用粒子系统模拟某一个自然场景或数字影视特效之前，首先要对模拟对象的运动规律进行分析，将场景或特效对象分解成由众多相互关联的粒子构成的一个运动系统，从而构建一个关于被模拟对象的动态变化模型。
nesp
（2）初始化粒子系统。根据步骤（1）得到的对象动态变化模型，初始化粒子的初始状态，如粒子的数量、形状、纹理、大小、颜、透明度、初始位置、碰撞检测等属性。
（3）设置粒子的运动规律。基于对象运动规律及其相关数学公式，设置粒子的速度、加速度、生命周期、生命衰减等属性参数。
（4）粒子状态更新。粒子的初始状态和运动规律设置完成之后，粒子集合即将按照所设定的规律和路径进行活动，并使用帧来控制每个粒子状态的动态变化。
（5）粒子的消亡与重生。每个粒子在完成其一个生命周期的所有活动之后便进入消亡阶段，此时需
中国电机工程学报
要粒子发射器按照粒子生成和运动规律产生新的粒子，这些新的粒子将经历步骤（2）到步骤（5）的相关动态变化。之文界
2 基于Unity3D的三维影视特效开发
2.1 Unity3D的粒子系统
Unity3D中一个典型的粒子系统包括粒子发射器（Particle Emitter）、粒子动画器（Particle Animator）和粒子渲染器（Particle Renderer）3个组件。一个简单的静态粒子系统采用一个粒子发射器和一个粒子渲染即可实现；如果粒子系统与其他虚拟物体对象有交互时，可在物体上添加一个粒子碰撞器（Particle Collider）。粒子发射器用来产生大量粒子，Unity3D的粒子发射器有椭球粒子发生器（Ellipsoid Particle Emitter）和网格粒子发射器（Mesh Particle Emitter）两种。其中，椭球粒子发射器在一个球形范围内产生大量粒子，使用Ellipsoid属性来缩放和拉伸范围；网格粒子发射器在一个网格周围发射粒子，粒子从网格的表面产生，适用于粒子与物体通过复杂的交互方式相互作用的情况。粒子动画器将在不同的方向移动粒子和改变粒子的颜，也可通过脚本编程的方式控制粒子系统中每个粒子的行为，从而实现更复杂的粒子特效。粒子渲染器是将粒子系统所绘制的效果渲染在显示设备屏幕上，让用户可以直观地观察到相应的视觉效果；粒子碰撞器用来实现和虚拟场景中其他碰撞体之间的相互作用，如爆炸粒子系统碰到目标对象时发生爆炸效果。
2.2 爆炸特效模拟这里以扔为例，分析在Unity3D 平台上模拟三维爆炸特效的开发过程，具体实现过程可分为以下几个步骤：
（1）制作具有碰撞检测功能的预设。首先，将制作完成的三维模型导入Unity3D虚拟场景中，将其添加刚体属性组件（Rigidbody）、碰撞检测器（Box Collider）和销毁控制脚本
（GrenadeS2cript.js），并将其制作成预设（Prefab），以便在虚拟场景中多次重复调用该模型。刚体属性组件主要是为了让具有向下的重力属性；碰撞检测器用来判断是否与其他虚拟对象发生物理碰撞，即是否满足触发爆炸特效的条件；销毁控制脚本（GrenadeS2cript.js）主要实现爆炸特效发生之后实例对象自动销毁，其核心代码如下：
function Update （）
{
if（Time.time > （creationTime+lifeTime））
{
Destroy（gameObject）；//销毁对象
Instantiate（explosionPrefab，transform.position，Quaternion.identity）；
}
干尸}
（2）添加爆炸粒子系统。向场景中添加一个名为large flames的粒子系统，包括椭球粒子发射器、粒子动画器、粒子渲染器、音频源（Audio Source）四个组件，并初始化粒子属性，如将图2所示的纹理贴图赋给粒子，并在音频源组件中添加一个模拟爆炸效果的音频。因为爆炸特效一般只是持续几秒时间，同样需要添加一个实现爆炸粒子系统自动销毁的脚本。
（3）爆炸特效模拟。为实现如图3所示的爆炸特
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