肥皂泡每个人都吹过，甚至成人也会很有兴趣的玩，还尝试玩出不同花样。除了好玩，肥皂泡还有一些非常有趣的科学背景。

图1.一个真实的肥皂泡（图片出自 Mila Zinkova,发布在GUN，我是在维基百科找到的）

 

表面张力或许是肥皂泡最重要的一个特性了。因为表面张力的存在，这也是肥皂泡会在空气中摇摆不定的原因。另一个由表面张力产生的效果是，肥皂泡是球形的。假如没有外部环境（重力，空气阻力等等），肥皂泡将是一个完美的球形。因为它们总有形成，称为极小曲面（minimal surface）的趋向。

 

你一开始看到肥皂泡，你可能会认为它有很高的表面张力，其实正好相反。肥皂和洗涤剂表面张力很低，如果不是这样肥皂泡就不会产生了。因为水的表面张力很高，肥皂泡会立即破裂。

 

另一个让人印象深刻的是肥皂泡很漂亮。它总是有很多颜色，他们反射的颜色看起来在晃动，混合了油一样。肥皂泡有这么的丰富颜色，因为它的壁很薄。当水蒸发时（肥皂泡变薄），会有不太显眼的颜色。当然这个效果不能用RealFlow模拟。但可以用物理渲染引擎做到，让它看起来五颜六色。在渲染时你可以调节材质的不同厚度，得到不同颜色。

 

第一步：怎么在RealFlow里创建一个泡泡

 

第一步就是创建泡泡。在这个例子里，填充模型做泡泡，不是一个好方法，因为它要一个尽可能薄的空心物体。用单个粒子层可以达到这个目的。在RealFlow里有这样几种方法来做成这种结构：

 

1把.粒子均匀分布的Python脚本

2.“sphere”发射器

3.“Fill Object”发射器和“k sphere”辅助器结合

4.激活“Particle layer”设置的“Fill Object”发射器

 

第一个方法能给你很好的效果，因为你能得到一个没有任何缝隙或孔洞的球体。但用粒子脚本是有问题的。原因是每一个粒子有一个确定的基于Resolution值的半径。

这半径是很重要的，因为为直接影响粒子之间的力。如果粒子之间距离非常近，你会观察到互相排斥的效果，流体会变得不稳定。也可以用非常低的内压“Int Pressure”参数减少这排斥值，但那时就会失去流体的特性看起来像dumb粒子。 这所以是Dumb粒子，当然就是因为非常低的”Int Pressure“值。

 

 图2：分布规则的球体

 

你可以降低“Resolution”值，但不容易找到正确的值。如果太高，很难与粒子交互；太低，流体粒子就会乱飞。

 

第二个方法是使用“Sphere”发射器。用这个方法也可以创建一个很薄的粒子层。你仅仅需要把"speed"值设成很低，例如 0.1 。然后第一帧后停止发射。这样可以管理表达式或动画关键帧。

 

可能最好的方法就是基于"Fill Object"发射器。这发个发射器提供了两种模式：第一个模式是填充模型。填充好后你可以把“k volume”辅助器放在模型里面(“Inverse=Yes”），删除多余的粒子。当然辅助器半径可以做些调整，根据空心的模型来调。结果还不错，但你可以在下面的图片看到，看起来像有花纹的图案。这方法可以轻松控制厚度并能根据需要，用大量粒子。

图3.用"Fill Object"发射器填充的空心球粒子，辅助使用"K Sphere"辅助器

 

然后，用“Fill Object”第二种模式：“Particle layer”（粒子层）。当这个设置为“Yes”,RealFlow会覆盖满球体表面，但不会出现几何体交接线。优点是流体是静止的，因为这是RealFlow自动计算正确粒子半径，你可以增加“Resolution”到非常高的值，而不会出错。它也能减少粒子间缝隙，你只是需要一个很高分辨率的球体/泡泡做基础。

 

用 RF_toolfactory’s “RF Toolbox Scripts”（最后一个教程会介绍这个工具）你可以重新创建很高分辨率的模型。

 

你可以在下面图片看到结果。请注意这是较低resolution值版本，忽略相邻边线。

 这个方法另一个优点是：你不需要任何初始状态，因为粒子层是Realflow直接创建的，存储或改变时只要“Reset”一下就可以。

 

第二步：脚本

 

做这个效果的脚本是很短的，也很容易理解。在写脚本之前，很重要的一件事就是你要知道我们要做成什么效果。我想在粒子层上开一个渐渐扩大的洞。在这个过程中，流体其它部分必须不受影响，保持原样。

所以第一步就需要冻结所有粒子，然后把他们速度设置成0.0。再然后就开始定义，到底在泡泡哪个地方破裂。函数要允许我们把扩散的种子（seed）放在整个表面，或完美的限制他们在一个特定区域。这部分要在模拟前执行，尽管它是"Simulation Events"脚本：

 

Layout>Simulation Events

 

初始化场景

 

窗口弹出时，你会看到两个部分。上面部分是模拟事件分支，下面部分是Python 代码部分。脚本预设必须添加在”SimulationPre“:

 

SimulationPre > Right-click > Add script...（RF5版本后，Layout-->Simulation Events<Ctrl+F2>   打开下图3窗口）

 

此操作会打开另一个窗口，你可以输入脚本：

 

# 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)

 

第一个代码片段只是简单的调用发射器和粒子。通过循环全所有粒子冻结用freeze()函数。这个函数功能是使粒子保持当前所有状态，例如，velocity和position.直接粒子不再锁定时。

 

 

图3：初始化"Simulation Evets"窗口脚本 .

 

脚本第二部分是很有趣的，因为会定义种子（seed)。在这个例子，种子（seed）是产生随机。为此，脚本从“particleList”函数指定粒子的总数。要控制种子(seed)影响更多或更少区域，整个粒子数除以50.如果想靠近一点，可以除以100，或500，如除以1则遍布整个表面。接下来循环

 

for i in range(0,4):

 

用来创建4个种子粒子。如果你想要增多种子，只要简单的改变括号里第二个数字，例如（0，2）或（0，8）。结果是一个随机数，可以用来寻找一定的粒子，通过利用粒子的ID数。ID被存储起来供进一步使用。

 

最后，所有相关数据必须存储在被为全局变量的里面。这个变量是一种，当你想共享不同脚本（类型）下的值/变量(例如Batch -> SimulationPre, FramesPre -> StepsPost 等等）和当变量要永久存储（值固定）。全局变量是“oldRadius”和“idList”。这“idList”是，当然需要种子粒子ID。“oldRadius”变量决定种子粒子周围破裂的大小。它值要很小获得连续效果。它甚至可以是0.

 

模拟

 

第二部分是脚本控制模拟，在"FramesPre"下，在simulation events tree （模拟事件分支）。这里脚本输出和用粒子ID，和初始半径。另外，循环需要遍历整个粒子。当一个ID存在于“idList”，脚本就继续扩散到相关连粒子。

 

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()

 

脚本思路是，收集种子（seed）粒子周围一定半径内相邻粒子。一旦种子（seed）识别出周围粒子，它就会解锁，然后（再次）受到辅助器和力影响。为了使破裂变得更有丰富，每个种子粒子有不一样的初始半径。这些半径存储在扩散列表：“initialradiiList”里。

 

要获得种子粒子周围渐渐增长区域，老的半径值（oldRadius）必须要被“newRadius”取代。这只能通过全局变量，因为这种类型，不会被清空，在模拟步骤执行后。

 

在此脚本计数器是必要的，从“initialRadiiList”不同的半径值分配到每个种子粒子:在脚本第一部分四个种子粒子已经设置了。所以必须要除以这四个半径值。如果ID找到，脚本会从这个列表中给出适当半径值，例如，半径值3的种子（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

 

 

请注意，Python列表总是从0开始，第三个位置在"initialradiList"数字是"2"：0，1，2，3。

 

在这个阶段的脚本已经标出相关种子粒子和相邻粒子。现在完成遍历，相邻粒子，接受"unfreeze()"函数。但这是特别的。这里涉及到种子粒子，因为他们要保持接近他们的初始状态。想像一个种子粒子，受“Noise field”场影响，在泡泡表面。在这个例子里，脚本找不到相邻粒子就不会继续破裂，那会停止在某个点。为避免这个，每个种子粒子速度将要放缓：

 

if (neighbor.getId() in idList):

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

发射器设置

设置发射器实际上只是简单的几个步骤。但在你开始往下做时，必须要在Global Links面板移除“sphere”结点，因为它很影响粒子。

 

为了在表面得到足够多粒子，很高的resolution是必要的。在这个场景"Resolution"值是 1000.0 对 2*2*2球体，有 5120个面。仍然会在粒子间看到一些边线，但做成mesh就看不到了。如果你要创建更多粒子，可以自由的改变这些值。你会看到模拟，仍然是很快的，尽管因为Python脚本，都是用单核模拟的。

 

为了要凸起的流体界线，“Ext pressure”要设置到5.这将有助于保持粒子靠近一起，避免粒子逃逸。

 

最后，“Surface tension”。代替发射器值，你可以用Surface tension辅助器（同名），激活“Balanced”设置，但这不是必须的。必要的是在“Surface tension”上key帧，让模拟结果更真实一点。在介绍真实的肥皂泡时，你知道真正的肥皂泡表面张力是很小的，但那只是自然界中，这是模拟。在RealFlow我们可以用各种方法模拟，达到想要的效果。因此设置时数值是否符合自然界中，是不重要的。要达到所需要的外观和形态时就要很高的“Surface tension”值，如果这值很低，泡泡就会毁掉。这是“Surface tension”动画曲线：

 

 

 

动画区间在0到120帧间从 200降到50.曲线是“Bezier”类型，创建第一帧的过程中，泡泡几乎完好无损。

 

当你点击“Simulate”，现在你能在种子粒子周围区域看到逃逸的粒子，或不想要的效果。要避免这个，我建议你用更高的MIN substeps值，在25到50之间。它能保持一些加速的粒子。要保持速度稳定，就添加辅助器。

 

辅助器

 

要除去非常快的粒子和保持流体稳定，在场景里要用到三个辅助器：

 

1."k Isolated",这个辅助器除去孤立的粒子在 0.1秒后

2."K Speed"作用：粒子速度超过2.0就会被除去

3.”Drag force“这个辅助器把”Drag strength“调到5.0，有助于有一个合理的模拟环境和看起来更自然。

 

基于发射器设置，你可以调节辅助器参数，但要有一个好的起始点。

 

要使模拟更丰富，和得到漩涡，添加"Noise field"场。通常使用值 0.2，来模拟，但“Space scale”3.0获得的漩涡在更小的区域。最后辅助器是“Attractor”，要使排斥变得很小，"Internal force"值设为-0.1，来分散一点粒子。

 

你现在得到近似图片上的效果了吗：

 

 

图4.粒子表达破裂的肥皂泡

 

在这图片你能清楚的看到不同的速度，但你的模拟可能只会显示一个统一的蓝色外观。要有不一样外观，到发射器”Display“面板，用下面的设置

 

Node Params > Display > Automatic range > No

 

Node Params > Display > Max range > 0.4

 

Mesh （网络）

 

所有的部分就是为了创建一个好的mesh。因为肥皂泡是非常易碎的，mesh要尽可能的薄。当然，mesh有一个确定的厚度，你不能创建一个单面的模型，或mesh仅是由一个面几何体构成。最终设置，是基于粒子数量和场景大小。

 

 

 

 

在左边图片上泡泡有接近 92000个粒子。要圆滑几何体边线缝隙，“Smooth”值要被用到，除了减小filter值。用很低的"Polygon size"值可提供更多的细节，调高就会损失细节。

 

要得到很薄的表面，mesh的“field”设置必须调节。这里你可以看到“Radius”值。这参数决定了球体的半径（是指每个创建的粒子）。如果模拟不足，粒子值很小时，你就会看到缝隙和孔洞。因为球体上粒子不能互相接触到。当你粒子数量很小时，就要降低“Radius”，和减小mesh厚度。所以你如果想要一个非常薄的泡泡，就大大提高发射器的"Resolution"和减小mesh的“Radius”

 

 

图5.Field设置

 

接下来的图片，就是刚设的mesh结果，缝隙和孔洞，已经看不到了。粒子呈一串串，和一丝丝状，是由于很高的“surface tension”引起的。

 

 

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谢谢。

 

RealFlow 翻译教程之——破裂的肥皂泡(-)  

2011-11-25 01:02:47|  分类： RealFlow探索 |  标签：realflow  肥皂泡  免费教程  翻译  豆芽兵   |字号大中小 订阅