肥皂泡每個(gè)人都吹過，甚至成人也會(huì)很有興趣的玩，還嘗試玩出不同花樣。除了好玩，肥皂泡還有一些非常有趣的科學(xué)背景。

圖1.一個(gè)真實(shí)的肥皂泡（圖片出自 Mila Zinkova,發(fā)布在GUN，我是在維基百科找到的）

 

表面張力或許是肥皂泡最重要的一個(gè)特性了。因?yàn)楸砻鎻埩Φ拇嬖冢�這也是肥皂泡會(huì)在空氣中搖擺不定的原因。另一個(gè)由表面張力產(chǎn)生的效果是，肥皂泡是球形的。假如沒有外部環(huán)境（重力，空氣阻力等等），肥皂泡將是一個(gè)完美的球形。因?yàn)樗鼈兛傆行纬桑�稱為極小曲面（minimal surface）的趨向。

 

你一開始看到肥皂泡，你可能會(huì)認(rèn)為它有很高的表面張力，其實(shí)正好相反。肥皂和洗滌劑表面張力很低，如果不是這樣肥皂泡就不會(huì)產(chǎn)生了。因?yàn)樗�的表面張力很高，肥皂泡�?huì)立即破裂。

 

另一個(gè)讓人印象深刻的是肥皂泡很漂亮。它總是有很多顏色，他們反射的顏色看起來在晃動(dòng)，混合了油一樣。肥皂泡有這么的豐富顏色，因?yàn)樗�的壁很薄。�?dāng)水蒸發(fā)時(shí)（肥皂泡變薄），會(huì)有不太顯眼的顏色。當(dāng)然這個(gè)效果不能用RealFlow模擬。但可以用物理渲染引擎做到，讓它看起來五顏六色。在渲染時(shí)你可以調(diào)節(jié)材質(zhì)的不同厚度，得到不同顏色。

 

第一步：怎么在RealFlow里創(chuàng)建一個(gè)泡泡

 

第一步就是創(chuàng)建泡泡。在這個(gè)例子里，填充模型做泡泡，不是一個(gè)好方法，因?yàn)樗�要一個(gè)盡可能薄的空心物體。用單個(gè)粒子層可以達(dá)到這個(gè)目的。在RealFlow里有這樣幾種方法來做成這種結(jié)構(gòu)：

 

1把.粒子均勻分布的Python腳本

2.“sphere”發(fā)射器

3.“Fill Object”發(fā)射器和“k sphere”輔助器結(jié)合

4.激活“Particle layer”設(shè)置的“Fill Object”發(fā)射器

 

第一個(gè)方法能給你很好的效果，因?yàn)槟隳艿玫揭粋�(gè)沒有任何縫隙或孔洞的球體。但用粒子腳本是有問題的。原因是每一個(gè)粒子有一個(gè)確定的基于Resolution值的半徑。

這半徑是很重要的，因?yàn)闉橹苯佑绊懥Ｗ又�間的力。如果粒子之間距離非常近，你會(huì)觀察到互相排斥的效果，流體會(huì)變得不穩(wěn)定。也可以用非常低的內(nèi)壓“Int Pressure”參數(shù)減少這排斥值，但那時(shí)就會(huì)失去流體的特性看起來像dumb粒子。 這所以是Dumb粒子，當(dāng)然就是因?yàn)榉浅５偷?rdquo;Int Pressure“值。

 

 圖2：分布規(guī)則的球體

 

你可以降低“Resolution”值，但不容易找到正確的值。如果太高，很難與粒子交互；太低，流體粒子就會(huì)亂飛。

 

第二個(gè)方法是使用“Sphere”發(fā)射器。用這個(gè)方法也可以創(chuàng)建一個(gè)很薄的粒子層。你僅僅需要把"speed"值設(shè)成很低，例如 0.1 。然后第一幀后停止發(fā)射。這樣可以管理表達(dá)式或動(dòng)畫關(guān)鍵幀。

 

可能最好的方法就是基于"Fill Object"發(fā)射器。這發(fā)個(gè)發(fā)射器提供了兩種模式：第一個(gè)模式是填充模型。填充好后你可以把“k volume”輔助器放在模型里面(“Inverse=Yes”），刪除多余的粒子。當(dāng)然輔助器半徑可以做些調(diào)整，根據(jù)空心的模型來調(diào)。結(jié)果還不錯(cuò)，但你可以在下面的圖片看到，看起來像有花紋的圖案。這方法可以輕松控制厚度并能根據(jù)需要，用大量粒子。

圖3.用"Fill Object"發(fā)射器填充的空心球粒子，輔助使用"K Sphere"輔助器

 

然后，用“Fill Object”第二種模式：“Particle layer”（粒子層）。當(dāng)這個(gè)設(shè)置為“Yes”,RealFlow會(huì)覆蓋滿球體表面，但不會(huì)出現(xiàn)幾何體交接線。優(yōu)點(diǎn)是流體是靜止的，因?yàn)檫@是RealFlow自動(dòng)計(jì)算正確粒子半徑，你可以增加“Resolution”到非常高的值，而不會(huì)出錯(cuò)。它也能減少粒子間縫隙，你只是需要一個(gè)很高分辨率的球體/泡泡做基礎(chǔ)。

 

用 RF_toolfactory’s “RF Toolbox Scripts”（最后一個(gè)教程會(huì)介紹這個(gè)工具）你可以重新創(chuàng)建很高分辨率的模型。

 

你可以在下面圖片看到結(jié)果。請(qǐng)注意這是較低resolution值版本，忽略相鄰邊線。

 這個(gè)方法另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是：你不需要任何初始狀態(tài)，因?yàn)榱Ｗ訉邮荝ealflow直接創(chuàng)建的，存儲(chǔ)或改變時(shí)只要“Reset”一下就可以。

 

第二步：腳本

 

做這個(gè)效果的腳本是很短的，也很容易理解。在寫腳本之前，很重要的一件事就是你要知道我們要做成什么效果。我想在粒子層上開一個(gè)漸漸擴(kuò)大的洞。在這個(gè)過程中，流體其它部分必須不受影響，保持原樣。

所以第一步就需要凍結(jié)所有粒子，然后把他們速度設(shè)置成0.0。再然后就開始定義，到底在泡泡哪個(gè)地方破裂。函數(shù)要允許我們把擴(kuò)散的種子（seed）放在整個(gè)表面，或完美的限制他們?cè)谝粋�(gè)特定區(qū)域。這部分要在模擬前執(zhí)行，盡管它是"Simulation Events"腳本：

 

Layout>Simulation Events

 

初始化場(chǎng)景

 

窗口彈出時(shí)，你會(huì)看到兩個(gè)部分。上面部分是模擬事件分支，下面部分是Python 代碼部分。腳本預(yù)設(shè)必須添加在”SimulationPre“:

 

SimulationPre > Right-click > Add script...（RF5版本后，Layout-->Simulation Events<Ctrl+F2>   打開下圖3窗口）

 

此操作會(huì)打開另一個(gè)窗口，你可以輸入腳本：

 

# Get the emitter, loop through its particles and freeze them

 

emitter = scene.getEmitter("Fill_Object01")

particleList = emitter.getParticles()

for particle in particleList:

  particle.freeze()

 

# Determine four seed particles which are relatively close together

 

idList = []

maxId = len(particleList)/50

for i in range(0,4):

  curId = random.randint(0, maxId)

  idList.append(curId)

scene.setGlobalVariableValue("oldRadius", 0.005)

scene.setGlobalVariableValue("idList", idList)

 

第一個(gè)代碼片段只是簡(jiǎn)單的調(diào)用發(fā)射器和粒子。通過循環(huán)全所有粒子凍結(jié)用freeze()函數(shù)。這個(gè)函數(shù)功能是使粒子保持當(dāng)前所有狀態(tài)，例如，velocity和position.直接粒子不再鎖定時(shí)。

 

 

圖3：初始化"Simulation Evets"窗口腳本 .

 

腳本第二部分是很有趣的，因?yàn)闀?huì)定義種子（seed)。在這個(gè)例子，種子（seed）是產(chǎn)生隨機(jī)。為此，腳本從“particleList”函數(shù)指定粒子的總數(shù)。要控制種子(seed)影響更多或更少區(qū)域，整個(gè)粒子數(shù)除以50.如果想靠近一點(diǎn)，可以除以100，或500，如除以1則遍布整個(gè)表面。接下來循環(huán)

 

for i in range(0,4):

 

用來創(chuàng)建4個(gè)種子粒子。如果你想要增多種子，只要簡(jiǎn)單的改變括號(hào)里第二個(gè)數(shù)字，例如（0，2）或（0，8）。結(jié)果是一個(gè)隨機(jī)數(shù)，可以用來尋找一定的粒子，通過利用粒子的ID數(shù)。ID被存儲(chǔ)起來供進(jìn)一步使用。

 

最后，所有相關(guān)數(shù)據(jù)必須存儲(chǔ)在被為全局變量的里面。這個(gè)變量是一種，當(dāng)你想共享不同腳本（類型）下的值/變量(例如Batch -> SimulationPre, FramesPre -> StepsPost 等等）和當(dāng)變量要永久存儲(chǔ)（值固定）。全局變量是“oldRadius”和“idList”。這“idList”是，當(dāng)然需要種子粒子ID。“oldRadius”變量決定種子粒子周圍破裂的大小。它值要很小獲得連續(xù)效果。它甚至可以是0.

 

模擬

 

第二部分是腳本控制模擬，在"FramesPre"下，在simulation events tree （模擬事件分支）。這里腳本輸出和用粒子ID，和初始半徑。另外，循環(huán)需要遍歷整個(gè)粒子。當(dāng)一個(gè)ID存在于“idList”，腳本就繼續(xù)擴(kuò)散到相關(guān)連粒子。

 

import random

 

# Prepare the variable, get the emitter and its particles

 

oldRadius        = scene.getGlobalVariableValue("oldRadius")

idList           = scene.getGlobalVariableValue("idList")

emitter          = scene.getEmitter("Fill_Object01")

particleList     = emitter.getParticles()

initialRadiiList = [0.005,0.009,0.015,0.012]

counter          = 0

 

# Loop through all particles, get Ids

for particle in particleList:

  theId = particle.getId()

 

  # Check if the current Id is in already stored in the idList.

  # If yes, calculate the radius around the seed particles.

 

  if theId in idList:

   newRadius = oldRadius + initialRadiiList[counter]

   neighbors = particle.getNeighbors(newRadius)

   counter  += 1

  

   # Replace the old radius with the new radius to simulate a grwoing area

   scene.setGlobalVariableValue("oldRadius", newRadius)

 

   # Loop through the particles around the seed and unfreeze its neighbours

   for neighbor in neighbors:

    if (neighbor.getId() in idList):

     particle.setVelocity(Vector.new(0,0,0))

    else:

     neighbor.unfreeze()

 

腳本思路是，收集種子（seed）粒子周圍一定半徑內(nèi)相鄰粒子。一旦種子（seed）識(shí)別出周圍粒子，它就會(huì)解鎖，然后（再次）受到輔助器和力影響。為了使破裂變得更有豐富，每個(gè)種子粒子有不一樣的初始半徑。這些半徑存儲(chǔ)在擴(kuò)散列表：“initialradiiList”里。

 

要獲得種子粒子周圍漸漸增長(zhǎng)區(qū)域，老的半徑值（oldRadius）必須要被“newRadius”取代。這只能通過全局變量，因?yàn)檫@種類型，不會(huì)被清空，在模擬步驟執(zhí)行后。

 

在此腳本計(jì)數(shù)器是必要的，從“initialRadiiList”不同的半徑值分配到每個(gè)種子粒子:在腳本第一部分四個(gè)種子粒子已經(jīng)設(shè)置了。所以必須要除以這四個(gè)半徑值。如果ID找到，腳本會(huì)從這個(gè)列表中給出適當(dāng)半徑值，例如，半徑值3的種子（seed）粒子：

 

initialRadiiList = [0.005,0.009,0.015,0.012]

[ ... ]

  if theId in idList:

   newRadius = oldRadius + initialRadiiList[2] # (= 0.015)

   neighbors = particle.getNeighbors(oldRadius + 0.015)

   counter  += 1 # Incement the counter to get the next radius value

 

 

請(qǐng)注意，Python列表總是從0開始，第三個(gè)位置在"initialradiList"數(shù)字是"2"：0，1，2，3。

 

在這個(gè)階段的腳本已經(jīng)標(biāo)出相關(guān)種子粒子和相鄰粒子。現(xiàn)在完成遍歷，相鄰粒子，接受"unfreeze()"函數(shù)。但這是特別的。這里涉及到種子粒子，因?yàn)樗麄円�保持接近他們的初始狀態(tài)。想像一個(gè)種子粒子，受“Noise field”場(chǎng)影響，在泡泡表面。在這個(gè)例子里，腳本找不到相鄰粒子就不會(huì)繼續(xù)破裂，那會(huì)停止在某個(gè)點(diǎn)。為避免這個(gè)，每個(gè)種子粒子速度將要放緩：

 

if (neighbor.getId() in idList):

 particle.setVelocity(Vector.new(0,0,0))

發(fā)射器設(shè)置

設(shè)置發(fā)射器實(shí)際上只是簡(jiǎn)單的幾個(gè)步驟。但在你開始往下做時(shí)，必須要在Global Links面板移除“sphere”結(jié)點(diǎn)，因?yàn)樗�很影響粒子�?/p>

 

為了在表面得到足夠多粒子，很高的resolution是必要的。在這個(gè)場(chǎng)景"Resolution"值是 1000.0 對(duì) 2*2*2球體，有 5120個(gè)面。仍然會(huì)在粒子間看到一些邊線，但做成mesh就看不到了。如果你要?jiǎng)?chuàng)建更多粒子，可以自由的改變這些值。你會(huì)看到模擬，仍然是很快的，盡管因?yàn)镻ython腳本，都是用單核模擬的。

 

為了要凸起的流體界線，“Ext pressure”要設(shè)置到5.這將有助于保持粒子靠近一起，避免粒子逃逸。

 

最后，“Surface tension”。代替發(fā)射器值，你可以用Surface tension輔助器（同名），激活“Balanced”設(shè)置，但這不是必須的。必要的是在“Surface tension”上key幀，讓模擬結(jié)果更真實(shí)一點(diǎn)。在介紹真實(shí)的肥皂泡時(shí)，你知道真正的肥皂泡表面張力是很小的，但那只是自然界中，這是模擬。在RealFlow我們可以用各種方法模擬，達(dá)到想要的效果。因此設(shè)置時(shí)數(shù)值是否符合自然界中，是不重要的。要達(dá)到所需要的外觀和形態(tài)時(shí)就要很高的“Surface tension”值，如果這值很低，泡泡就會(huì)毀掉。這是“Surface tension”動(dòng)畫曲線：

 

 

 

動(dòng)畫區(qū)間在0到120幀間從 200降到50.曲線是“Bezier”類型，創(chuàng)建第一幀的過程中，泡泡幾乎完好無損。

 

當(dāng)你點(diǎn)擊“Simulate”，現(xiàn)在你能在種子粒子周圍區(qū)域看到逃逸的粒子，或不想要的效果。要避免這個(gè)，我建議你用更高的MIN substeps值，在25到50之間。它能保持一些加速的粒子。要保持速度穩(wěn)定，就添加輔助器。

 

輔助器

 

要除去非常快的粒子和保持流體穩(wěn)定，在場(chǎng)景里要用到三個(gè)輔助器：

 

1."k Isolated",這個(gè)輔助器除去孤立的粒子在 0.1秒后

2."K Speed"作用：粒子速度超過2.0就會(huì)被除去

3.”Drag force“這個(gè)輔助器把”Drag strength“調(diào)到5.0，有助于有一個(gè)合理的模擬環(huán)境和看起來更自然。

 

基于發(fā)射器設(shè)置，你可以調(diào)節(jié)輔助器參數(shù)，但要有一個(gè)好的起始點(diǎn)。

 

要使模擬更豐富，和得到漩渦，添加"Noise field"場(chǎng)。通常使用值 0.2，來模擬，但“Space scale”3.0獲得的漩渦在更小的區(qū)域。最后輔助器是“Attractor”，要使排斥變得很小，"Internal force"值設(shè)為-0.1，來分散一點(diǎn)粒子。

 

你現(xiàn)在得到近似圖片上的效果了嗎：

 

 

圖4.粒子表達(dá)破裂的肥皂泡

 

在這圖片你能清楚的看到不同的速度，但你的模擬可能只會(huì)顯示一個(gè)統(tǒng)一的藍(lán)色外觀。要有不一樣外觀，到發(fā)射器”Display“面板，用下面的設(shè)置

 

Node Params > Display > Automatic range > No

 

Node Params > Display > Max range > 0.4

 

Mesh （網(wǎng)絡(luò)）

 

所有的部分就是為了創(chuàng)建一個(gè)好的mesh。因?yàn)榉试砼菔欠浅Ｒ姿榈模琺esh要盡可能的薄。當(dāng)然，mesh有一個(gè)確定的厚度，你不能創(chuàng)建一個(gè)單面的模型，或mesh僅是由一個(gè)面幾何體構(gòu)成。最終設(shè)置，是基于粒子數(shù)量和場(chǎng)景大小。

 

 

 

 

在左邊圖片上泡泡有接近 92000個(gè)粒子。要圓滑幾何體邊線縫隙，“Smooth”值要被用到，除了減小filter值。用很低的"Polygon size"值可提供更多的細(xì)節(jié)，調(diào)高就會(huì)損失細(xì)節(jié)。

 

要得到很薄的表面，mesh的“field”設(shè)置必須調(diào)節(jié)。這里你可以看到“Radius”值。這參數(shù)決定了球體的半徑（是指每個(gè)創(chuàng)建的粒子）。如果模擬不足，粒子值很小時(shí)，你就會(huì)看到縫隙和孔洞。因?yàn)榍蝮w上粒子不能互相接觸到。當(dāng)你粒子數(shù)量很小時(shí)，就要降低“Radius”，和減小mesh厚度。所以你如果想要一個(gè)非常薄的泡泡，就大大提高發(fā)射器的"Resolution"和減小mesh的“Radius”

 

 

圖5.Field設(shè)置

 

接下來的圖片，就是剛設(shè)的mesh結(jié)果，縫隙和孔洞，已經(jīng)看不到了。粒子呈一串串，和一絲絲狀，是由于很高的“surface tension”引起的。

 

 

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謝謝。

 

RealFlow 翻譯教程之——破裂的肥皂泡(-)  

2011-11-25 01:02:47|  分類： RealFlow探索 |  標(biāo)簽：realflow  肥皂泡  免費(fèi)教程  翻譯  豆芽兵   |字號(hào)大中小 訂閱